CN100455999C - 一种超声波测量液位的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测量液位的装置及方法。该装置，包括：一信号发生器；一数据采集装置；一数据处理装置；其特征在于，还包括一个超声发射探头和至少两个超声接收探头固定在一个探头固定装置上。该方法，包括以下步骤：1)提供一个超声发射探头向液面发射超声波；2)提供至少两个超声接收探头接收从受测液面反射回来的超声波；3)分别记录超声波从发射到接收的传播时间；4)确定各超声接收探头到所述超声发射探头的径向距离；所述超声接收探头和所述超声发射探头到受测液体的底部的纵向距离；5)通过超声波的传播时间和各超声接收探头的径向距离和所述纵向距离得到液位高度。本发明在计算液位时不用考虑声速，提高了液位测量的精度。

Description

一种超声波测量液位的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种液位计，特别是涉及一种超声波测量液位的装置及方法，能够准确地测量各种液体的高度。

背景技术

超声波技术在测量液位高度方面存在着其它类型仪表不可替代的优越性，比如安装调试便捷，维护检修简单，精度高，性能好等。因此，在工业企业的液位测量中得到了广泛的应用。

已有的超声波测量液位的技术往往需要考虑超声波的声速，如在文献1：“在超声波液位计的原理与应用，张晓艳，黑龙江造纸，2004年第3期”中公开的技术，如图1所示，该技术将一只收发合置的超声波探头安装在受测液体的正上方，该超声波探头受电激励后，通过空气向其下方的液体发射超声波，超声波被液体表面反射，回波被这个收发合置的探头接收和测量，并将超声波信号转换为电信号。超声波在发射和接收过程中间传播的路程是液面到超声波探头距离H₁的2倍，所以H₁的大小由超声波速度和传输时间t决定，如下列公式所示：

H₁＝C*t/2；

在此处假定声波在空气中的传播速度为一个固定的值，比如340m/s，即C＝340m/s，时间t由上述已有的常规超声液位测量中的阈值回波判别方式确定。由于超声波探头距离容器底部的高度H为预先确定的定值，所以可以计算出液面到容器底部的高度H₂：

H₂＝H-H₁；

但是，在实际使用环境中，介质的温度、压力等可能是变化的，导致声速的值不一定是定值340m/s，而上述方法假定声速是不变的定值的，这在实际使用环境变化的情况下显然会引起很大的测量误差。另外，上述已有技术确定时间的常规阈值判别方式本身就存在较大的误差。

另一种已有的测量液位的技术，如文献2：“超声在测量中的应用，尹旭全，张建华，高守玮，王忠民，现代电子技术，2003年第5期总第148期”中公开的技术，如图2所示，该文献阐述了基本超声测距原理，与文献1中的技术不同之处是在被测液体的上方放置两个探头，一个用于发射，一个用于接收，但是测量方法与文献1是一样的，同样假定声速是不变的定值，显然该技术也会导致测量的不准确。

因此，希望有一种安装调试便捷、维护检修简单、精度高、性能好并且不计入声速的超声波测量液位装置及方法。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中必须计入声速以及仅依靠阈值判别方式确定传播时间具有较大误差的缺点，提供一种改进的超声波测量液位的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种超声测量液位的装置，包括：

一信号发生器；一数据采集装置；一数据处理装置；其特征在于，还包括一个超声发射探头和至少两个超声接收探头固定在一个探头固定装置上，所述超声发射探头和至少两个超声接收探头在所述探头固定装置上处于一个平面内，其中所述超声发射探头和所述超声接收探头与所述信号发生器连接；所述超声发射探头用于向液面方向发射超声波，所述超声接收探头用于接收液面发射回来的超声波，并将超声波信号转换为电信号输入到所述数据采集装置中，确定各个接收探头所接收信号的传播时间；所述数据采集装置与所述数据处理装置连接，所述数据处理装置对数据进行处理并得到液位数据。

进一步地，第一超声接收探头到所述超声发射探头之间形成第一距离，所述第二超声接收探头到所述超声发射探头之间形成第二距离，所述第一距离与所述第二距离不等。

进一步地，所述第二距离大于所述第一距离。

进一步地，各所述超声探头之间的连线是一直线，且这条直线是与液面平行的。

进一步地，所述探头固定装置具有一活动部件，该活动部件能够调节各所述超声探头之间的距离，以适应不同口径的实际测量需要。

进一步地，该装置还包括一个输入装置与所述数据处理装置连接，用于输入各所述超声探头到受测液体的底部的距离。

进一步地，还包括一个输出装置，用于输出和显示结果。

一种超声波测量液位的方法，包括以下步骤：

1)提供一个超声发射探头向液面发射超声波；

2)提供至少两个超声接收探头接收从受测液面反射回来的超声波；

3)分别记录超声波从发射到接收的传播时间；

4)确定各超声接收探头到所述超声发射探头的径向距离；所述超声接收探头和所述超声发射探头到受测液体的底部的纵向距离；

5)通过超声波的传播时间和各超声接收探头的径向距离和所述纵向距离得到液位高度。

进一步地，步骤3)中测量各路回波接收信号之间的相位差，准确确定各路信号到达接收探头的时刻。

进一步地，步骤1)和步骤2)中，所有的探头都处于平行于受测液面的平面内。

进一步地，所有的探头都处于平行于受测液面的平面内，并且排成一直线。

进一步地，所述步骤2)中其中一个超声接收探头是与超声发射探头合置。

进一步地，所述步骤2)中超声接收探头为两个，第一超声接收探头和第二超声接收探头测得的两路接收信号的传播时间分别为t₁和t₂，第一超声接收探头和第二超声接收探头到超声发射探头的径向距离不同，分别为2l₁和2(l₁+l₂)，探头到受测液体的底面的距离为h，则液位高度为 $h_2=h-\sqrt{\frac{{(l_1+l_2)}^2{t_1}^2-{l_1}^2{t_2}^2}{{t_2}^2-{t_1}^2}}.$

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在计算液位时不用考虑声速，而且也不是单一依靠阈值判别法确定声波传播时间，所以实际使用环境中，即使介质的温度、压力等发生变化引起声速的变化也能够准确测量液位，本发明对比传统方法有效提高了液位测量的精度。

附图说明

图1是已有技术的超声波液位测量仪工作原理图；

图2是已有技术的基本超声测距原理图；

图3是本发明的实施例示意图。

图面说明如下：

1-信号发生器，2-超声发射探头，3-第一超声接收探头，4-第二超声接收探头，5-数据采集装置  6-数据处理装置  7-探头固定装置

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明在液面之上方同一平面上放置多个探头，一个发射超声波，其余的接收发射回来的超声波。由于接收探头放置的位置不同，所以接收的声波的传播路径不同，也就是传播时间不同。用数据采集装置确定各个接收探头所接收信号的传播时间，从而确定传播声线之间的角度关系。把各探头之间的连线、声线的传播轨迹等连接起来，求解液位高度就相当于求解三角形的高。各探头之间的距离是预先设定的定值，即三角形的底边是确定的，声线与竖直方向所成的角度通过上述方法可以确定，三角形的高就可以求得，从而液位高度就确定了。

首先由信号信号发生器产生一个电信号，激励超声发射探头产生机械振动发射超声波，声波传播到空气与液体的界面时，由于二者阻抗差别较大，大部分声波会反射，小部分会继续向前传播。从液面反射的回波，经两个或两个以上的接收探头转换成电信号后进入数据采集系统，通过相应的计算软件，确定各路信号的具体传播时间。各探头之间的距离是测量装置预先确定的定值，再根据得到的各路超声波信号的传播时间，经过计算处理，可以得出从探头到液面的距离，探头到容器底部的距离是定值，液位就计算出来了。

下面结合附图3和实施例对本发明进一步说明。

该超声测量液位的装置，包括：信号发生器1；数据采集装置5；数据处理装置6；一个超声发射探头2和两个超声接收探头3、4，三个超声探头固定在一个探头固定装置7上；探头固定装置7用钢板材料制作，最好是，该固定装置上包括一个活动部件，该活动部件能够调节各所述超声探头之间的距离，以适应不同口径的实际测量需要。比如测量较大口径的容器中的液面时，可以调节活动部件使得各超声探头之间的距离增大，相应地，在某些情况下调节活动部件使得各超声探头之间的距离减小以方便测量。

超声发射探头2和两个超声接收探头3、4在所述探头固定装置上处于一个平面内，其中超声发射探头2与所述信号发生器1连接，用于向液面方向发射超声波。超声接收探头3、4用于接收液面发射回来的超声波，并将超声波信号转换为电信号输入到数据采集装置5中，确定各个接收探头所接收信号的传播时间；数据采集装置5与数据处理装置6连接，数据处理装置6对数据进行处理并得到液位数据。信号发生器1采用圣普公司的SG1005产品。超声发射探头2、超声接收探头3和4均为市场所售的常规产品。数据采集装置5为市场所售的常规产品，如四川托普公司生产的PCI-20612。数据处理装置6完成对采集数据的处理计算，计算出最终的液位数据，该装置为市场所售的常规器件如处理器、存储器等按照本领域技术人熟知的方式连接组成，并按照本发明公开的计算公式进行运算。

如图3所示，第一超声接收探头3到超声发射探头2之间形成第一距离，计为2l₁；第二超声接收探头4到超声发射探头2之间形成第二距离，计为2(l₂+l₁)，当然第一距离和第二距离是可以通过活动部件在测量前根据实际需要进行调节的，一旦确定后，在测量过程中就不再改变了。一般第一距离与第二距离不等，图3中，第二距离大于第一距离，发射超声探头2、第一超声接收探头3、第二超声接收探头4之间的连线是一直线，且这条直线是与液面平行的。当然，本图3中，为了描述方便，发射超声探头2、第一超声接收探头3、第二超声接收探头4之间的连线是一直线的，实际上三者可以不在一条直线上，只要第一超声接收探头3和第二超声接收探头4分别对应的声线a₁和a₂长度不同，使得两束超声波在到达超声接收探头时存在相位差就行，也就是说两束超声波以不同的传输时间分别到达各自的超声接收探头。

该装置还包括一个输入装置与所述数据处理装置连接，用于输入各超声探头到受测液体的底部的距离。该输入装置可以采用键盘。

本实施例还包括一个输出装置，用于输出和显示结果，比如采用一个现有技术的显示器。

在采用上述实施例装置测量液位时，将发射超声探头2、第一超声接收探头3、第二超声接收探头4通过探头固定装置固定在液面的正上方，使得发射超声探头2、第一超声接收探头3、第二超声接收探头4到液面的竖直距离都相等。如图3所示，h为容器高度，就是发射超声探头2、第一超声接收探头3、第二超声接收探头4到液体底部的距离，是测量前预先确定的定值；h₁为发射超声探头2、第一超声接收探头3、第二超声接收探头4到液面的高度；h₂为液面到容器底部的距离。l₁为发射超声探头2到第一超声接收探头3之间距离的一半，l₂为第一超声接收探头3到第二超声接收探头4之间距离的一半。a₁是发射超声探头2发射超声波、第一超声接收探头3接收时从发射超声探头2到液面的声线，a₂是发射超声探头2发射超声波、第二超声接收探头4接收时从发射超声探头2到液面的声线，θ₁是a₁与h₁之间的夹角，也就是声线a₁与竖直方向之间的夹角；θ₂是a₂与h₁之间的夹角，也就是声线a₂与竖直方向之间的夹角。

通过数据采集装置，可以计算出超声波在a₁及a₂路径上传播所用的时间，分别是t₁和t₂。因为信号的起始振动时刻不容易确定，所以本发明通过测量两路信号之间的相位差，准确得出两路信号到达时刻之间的时间差，比如采用已有技术的阈值确定法得知第一路信号的到达时刻是t₁，通过两路信号之间的相位差得知第二路信号与第一路信号之间的时间差是Δt，从而得知第二路信号的到达时刻是t₂＝t₁+Δt。本发明采用了测量两路信号的相位差来确定两路信号传播时间，比已有技术中只信号的起始时刻来确定一路超声信号的传播时间更准确。本实施例中两路信号之间的相位差是通过现有技术的两个超声探头以及数据采集装置来确定的。

设超声在同一介质中的传播速度为c，则：

$\frac{l_1}{c\×t_1}=\sin {\mathrm{\θ}}_1;$ $\frac{l_1+l_2}{c\×t_2}=\sin {\mathrm{\θ}}_2;$ $\frac{l_1}{h_1}={\tan \mathrm{\θ}}_1;$ $\frac{l_1+l_2}{h_1}={\tan \mathrm{\θ}}_2$

因为l₁、l₂、t₁、t₂都是已知的，这样就可以算出θ₁及θ₂的值，从而计算出h₁的值，而h也是已知的，液位的高度h₂就得出来： $h_2=h-h_1=h-\sqrt{\frac{{(l_1+l_2)}^2{t_1}^2-{l_1}^2{t_2}^2}{{t_2}^2-{t_1}^2}}.$ 可以，本发明在计算液位时不用考虑声速，而且也不是单一依靠阈值判别法确定声波传播时间，所以实际使用环境中，即使介质的温度、压力等发生变化引起声速的变化也能够准确测量液位，本发明对比传统方法有效提高了液位测量的精度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1、一种超声测量液位的装置，包括：

一信号发生器、一数据采集装置和一数据处理装置；

其特征在于，还包括一个输入装置与所述数据处理装置连接；

和一个输出装置，用于输出和显示结果；

以及一个超声发射探头和两个超声接收探头固定在一个探头固定装置上，所述超声发射探头和两个超声接收探头在所述探头固定装置上处于一个平面内，所述超声探头之间的连线是一直线，且这条直线是与液面平行的；

其中所述超声发射探头和所述超声接收探头与所述信号发生器连接；所述超声发射探头向液面方向发射超声波，所述超声接收探头接收液面发射回来的超声波并将超声波信号转换为电信号输入到所述数据采集装置中，所述数据采集装置确定各个接收探头所接收信号的传播时间；所述数据采集装置与所述数据处理装置连接，所述数据处理装置对数据进行处理并得到液位数据；

所述第一超声接收探头到所述超声发射探头之间形成第一距离，所述第二超声接收探头到所述超声发射探头之间形成第二距离，所述第一距离与所述第二距离不等。

2、根据权利要求1所述超声测量液位的装置，其特征在于，所述第二距离大于所述第一距离。

3、根据权利要求1所述超声测量液位的装置，其特征在于，所述探头固定装置具有一活动部件，通过该活动部件调节各所述超声探头之间的距离。

4、一种应用权利要求1所述超声测量液位的装置进行超声波测量液位的方法，包括以下步骤：

1)提供一个超声发射探头向液面发射超声波；

2)提供两个超声接收探头接收从受测液面反射回来的超声波，所述的超声发射探头和两个所述的超声接收探头，都处于平行于受测液面的平面内，排成一直线，并且两个超声接收探头位于发射探头的同一侧；其中第二超声接收探头可以与超声发射探头合置，也可以是独立的超声接收探头；

其中所述第一超声接收探头和第二超声接收探头测得的两路接收信号的传播时间分别为t₁和t₂，第一超声接收探头和第二超声接收探头到超声发射探头的径向距离不同，分别为2l₁和2(l₁+l₂)，探头到受测液体的底面的距离为h，液位高度为：

$h_2=h-\sqrt{\frac{{(l_1+l_2)}^2{t_1}^2-{l_1}^2{t_2}^2}{{t_2}^2-{t_1}^2}};$

3)采用阈值确定法得知第一路信号的到达时刻是t₁，通过两路信号之间的相位差得知第二路信号与第一路信号之间的时间差是Δt，从而得知第二路信号的到达时刻是t₂＝t₁+Δt；

4)确定各超声接收探头到所述超声发射探头的径向距离；所述超声接收探头和所述超声发射探头到受测液体的底部的纵向距离；

5)通过超声波的传播时间和各超声接收探头的径向距离和所述纵向距离得到液位高度。

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