關于紅外脈沖延時比較液位計原理和結構的簡析

   紅外脈沖延時比較液位計是對脈沖式測距儀的發展。它延承了脈沖式測距儀結構簡單的優點，同時提高了測量精度，縮短了距離測量。

1．1 微小值放大測量原理
脈沖測距儀的測量原理是：由信號發生器對被測目標發射一個紅外電磁脈沖，然后接收目標反射回來的電磁脈沖，通過測量電磁脈沖往返所經過的時間算出目標的距離。電磁脈沖往返時間為：在這段時間里，測距儀控制器發出的時鐘脈沖個數乘上其時鐘周期而獲得 。電磁波在空氣中的傳播速度c 3xIIY rrds。設目標距離為￡，設測距儀控制器時鐘脈沖周期為 。電磁脈沖往返距離為2￡，時間為t，控制器發出時鐘脈沖為n個，則：
L=t·C／2 (1)
L=n· ·C／2 (2)
由于油罐液位測量是短距離精確測量，一般油罐高度大約在10~20m之間，測量誤差為mm級。設控制器時鐘脈沖頻率為50MHz，周期 =2·10罐s，油罐高度L=20 m。根據(2)式n=2L／( ·c) 6．7，計數器數為6，通過(2)式計算L=18m，與實際值相差2m。頻率為100MHz，周期 =10罐s，n=2L／( ·c)13．3，計數器計數為13，計算L=19．5m，與實際值相差0．5m。從該例子中可以看出，時鐘振蕩頻率取值越高，計數器記錄值越大，則測量越準確。但是由于硬件條件的限制，時鐘脈沖頻率不可能取得很大，而且zui小分辨距離并不是完全由計數系統單獨可以提高的，因此在高頻測量中，脈沖的上升時間是必須考慮的。
   由(1)式知，如果要使用脈沖測量原理測量油罐內液面高度，必須精確測量出紅外光波在測量過程中所花費的時間t。在工業測量中，微小量的測量一直是難題，要達到比較高的精度，就需要比較高的代價。電磁光波在油罐中運行時間t是一個微小量，為了測量它，紅外脈沖延時比較液位計采用了微小值放大原理。

   設儀器的測量分辨率為．s，根據分辨率定義：S=dL／dH一△ △H。其中s是液位計靈敏度；AL是測量值變化量；A H是液位變化量。將液位變化量放大 倍數測量，則儀器的測量分辨率s變為：sr~△ ( ·AH)。與原來的分辨率相比S =S／n，儀器的測量分辨率提高n倍。可見測量分辨率和測量放大倍數成正比的，放大倍數越大，測量分辨率越高。在紅外脈沖延時比較液位計中，信號發生器發出兩個同步脈沖，一個作為參考電脈沖信號，一個作為測量電脈沖信號。參考脈沖進入計數器，測量電脈沖信號啟動發射電路發射一束紅外光波后立即停止工作。紅外光波通過液面反射回來，經過接收電路處理得到返回脈沖信號。返回脈沖分為兩路，一路進入計數器2，另一路控制發射電路發射紅外光波，繼續進行測量(圖1)。設參考脈沖信號周期為r ，返回脈沖信號周期為z．2~--2·L／C+t。L為被測距離；C為光速；f為信號處理延時時間，這個時間對于固定電路來說可以認為是一個常數。把參考脈沖信號與返回脈沖信號送入一個比較器，檢測兩個脈沖信號重合時刻。同時分別用兩個計數器記錄兩個脈沖信號的個數nl，n2。當發生脈沖信號重合時，計數器立即停止計數。參考脈沖信號總共運行時間T1=(n1-1)·z．·，返回脈沖信號總共運行時間 n：·z．z(圖2)。這時有：
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)式是液位高度理論推導公式。從公式中可以看出，只要測量出兩種脈沖的個數，通過計算可以得到被測距離。因紅外脈沖延時比較液位計采用微小值放大原理進行測量，所以要求n值至少大于5000個。設控制器時鐘脈沖頻率為10MHz，周期rl=10 ，油罐高度變為L=10 m，取n2=5000，信號處理延時時間t=20ns，z．z=2L／C+t一8~6667x10-8,由(4)式計算n·~4334．35，計數器計數為4334。根據(6)式可得：L=9．999m。

   從上例可以看到，采用微小值放大原理大大提高了液位計的測量精度。考慮到在實際工作過程中，由于硬件的不穩定性和外界環境的干擾，實際測量值與理論計算值可能有較大差距，所以要求在設計系統結構時，工作原理合理，元器件選擇切實可行，盡可能排除干擾，提高精度。