关于红外脉冲延时比较液位计原理和结构的简析

   红外脉冲延时比较液位计是对脉冲式测距仪的发展。它延承了脉冲式测距仪结构简单的优点，同时提高了测量精度，缩短了距离测量。

1．1 微小值放大测量原理
脉冲测距仪的测量原理是：由信号发生器对被测目标发射一个红外电磁脉冲，然后接收目标反射回来的电磁脉冲，通过测量电磁脉冲往返所经过的时间算出目标的距离。电磁脉冲往返时间为：在这段时间里，测距仪控制器发出的时钟脉冲个数乘上其时钟周期而获得 。电磁波在空气中的传播速度c 3xIIY rrds。设目标距离为￡，设测距仪控制器时钟脉冲周期为 。电磁脉冲往返距离为2￡，时间为t，控制器发出时钟脉冲为n个，则：
L=t·C／2 (1)
L=n· ·C／2 (2)
由于油罐液位测量是短距离精确测量，一般油罐高度大约在10~20m之间，测量误差为mm级。设控制器时钟脉冲频率为50MHz，周期 =2·10罐s，油罐高度L=20 m。根据(2)式n=2L／( ·c) 6．7，计数器数为6，通过(2)式计算L=18m，与实际值相差2m。频率为100MHz，周期 =10罐s，n=2L／( ·c)13．3，计数器计数为13，计算L=19．5m，与实际值相差0．5m。从该例子中可以看出，时钟振荡频率取值越高，计数器记录值越大，则测量越准确。但是由于硬件条件的限制，时钟脉冲频率不可能取得很大，而且zui小分辨距离并不是完全由计数系统单独可以提高的，因此在高频测量中，脉冲的上升时间是必须考虑的。
   由(1)式知，如果要使用脉冲测量原理测量油罐内液面高度，必须精确测量出红外光波在测量过程中所花费的时间t。在工业测量中，微小量的测量一直是难题，要达到比较高的精度，就需要比较高的代价。电磁光波在油罐中运行时间t是一个微小量，为了测量它，红外脉冲延时比较液位计采用了微小值放大原理。

   设仪器的测量分辨率为．s，根据分辨率定义：S=dL／dH一△ △H。其中s是液位计灵敏度；AL是测量值变化量；A H是液位变化量。将液位变化量放大 倍数测量，则仪器的测量分辨率s变为：sr~△ ( ·AH)。与原来的分辨率相比S =S／n，仪器的测量分辨率提高n倍。可见测量分辨率和测量放大倍数成正比的，放大倍数越大，测量分辨率越高。在红外脉冲延时比较液位计中，信号发生器发出两个同步脉冲，一个作为参考电脉冲信号，一个作为测量电脉冲信号。参考脉冲进入计数器，测量电脉冲信号启动发射电路发射一束红外光波后立即停止工作。红外光波通过液面反射回来，经过接收电路处理得到返回脉冲信号。返回脉冲分为两路，一路进入计数器2，另一路控制发射电路发射红外光波，继续进行测量(图1)。设参考脉冲信号周期为r ，返回脉冲信号周期为z．2~--2·L／C+t。L为被测距离；C为光速；f为信号处理延时时间，这个时间对于固定电路来说可以认为是一个常数。把参考脉冲信号与返回脉冲信号送入一个比较器，检测两个脉冲信号重合时刻。同时分别用两个计数器记录两个脉冲信号的个数nl，n2。当发生脉冲信号重合时，计数器立即停止计数。参考脉冲信号总共运行时间T1=(n1-1)·z．·，返回脉冲信号总共运行时间 n：·z．z(图2)。这时有：
Tl= (3)
(n1—1)。z．1 n2‘z．2 (4)
( 1—1)·z．1=nz·(2L／C +t) (5)
￡={[ ·一1)·z． —n2·t]·C}／2nz (6)
(6)式是液位高度理论推导公式。从公式中可以看出，只要测量出两种脉冲的个数，通过计算可以得到被测距离。因红外脉冲延时比较液位计采用微小值放大原理进行测量，所以要求n值至少大于5000个。设控制器时钟脉冲频率为10MHz，周期rl=10 ，油罐高度变为L=10 m，取n2=5000，信号处理延时时间t=20ns，z．z=2L／C+t一8~6667x10-8,由(4)式计算n·~4334．35，计数器计数为4334。根据(6)式可得：L=9．999m。

   从上例可以看到，采用微小值放大原理大大提高了液位计的测量精度。考虑到在实际工作过程中，由于硬件的不稳定性和外界环境的干扰，实际测量值与理论计算值可能有较大差距，所以要求在设计系统结构时，工作原理合理，元器件选择切实可行，尽可能排除干扰，提高精度。