CN102095391A - 一种基于声波的管道长度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种管道长度测量的装置，包括逻辑电路控制部分（1）、声波发射部分（2），温度检测部分（3），以及声波接收与信号预处理电路（4）。本装置测量两端均开口的空心管道时，无需对管道表面及端口进行任何处理，将装置放置在管道的一端进行测量。本发明的装置原理简单，成本低廉，抗干扰能力强，结构合理，轻便耐用，应用范围广。

Description

一种基于声波的管道长度测量装置

技术领域

本发明属于管道长度测量领域，具体涉及一种管道长度测量装置。

背景技术

在仓库或者露天现场，常常需要检测管道长度并将管道按长度进行分类和统计，或者选择合适长度的管道用作管道铺设或建筑用途。

传统方法采用刻度皮尺进行管道长度测量，这种方法耗时较长，操作麻烦，并且要求管道的两端都是能够取得的。超声波、激光等技术的应用已在长度测量领域取得了良好的效果。但是在用于管道测量时，这些方法都有一定局限性。超声波适用于材质均匀的材料长度测量，要求超声探头与材料表面具有良好接触，且测量距离较短。激光制造成本高，对测量环境要求高，且操作麻烦。华中科技大学自控系研制出一种管道长度声波测量仪，但使用该装置时要求将管道的两端封闭。北京工业大学采用超声导波的方法测量管道长度，该方法要求将压电陶瓷布置在管道外壁，操作复杂，信号处理电路成本高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于声波的管道长度测量装置，通过ARM系统控制声波的发送和接收，对两端均开口的空心管道的长度进行测量。本发明的管道长度测量装置测量前无需对管道作任何处理，只需将测量仪放置在管道一端，就能够精确的得到管道的长度。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

本系统包括声波发射部分，温度检测部分，声波接收，和信号预处理电路以及逻辑控制部分。所述逻辑电路控制部分用于发出脉冲信号，以使所述声波发射部分发射声波，发射的声波从待测管道一端经该管道传播后在另一端口附近产生发射，反射回波被所述声波接收与信号预处理电路接收处理，并送入所述逻辑电路控制部分，进而得到声波在待测管道内的传播时间；同时，所述逻辑电路控制部分根据所述温度检测部分检测出的待测管道内的温度得到管道内声波传播的速度，根据上述测得的传播时间和速度，即可获得管道的长度。

作为本发明的进一步改进，所述的逻辑电路控制部分包括逻辑处理单元和显示单元，其中所述逻辑处理单元用于发射脉冲信号，接收经过预处理的声波回波信号和管道内温度，并提供整体装置的逻辑控制；所述显示单元用于长度数值的显示。

作为本发明的进一步改进，所述声波接收与信号预处理部分(4)包括声波接收器和信号预处理，所述声波接收器接收回波信号，所述信号预处理部分用于对回波信号进行预处理。

作为本发明的进一步改进，所述的预处理包括基本放大，可变增益放大，滤波，峰值检测和信号比较，所述回波信号经过基本放大和可变增益放大，其中可变增益的控制由所述逻辑处理单元进行控制，放大后的信号经过滤波后进行峰值检测，然后进行比较，比较后的信号为TTL电平，最后送入逻辑电路控制部分。

作为本发明的进一步改进，声波发射部分包括声波发射器和功率放大系统，功率放大系统接收逻辑控制部分的脉冲信号，经过功率放大的信号驱动声波发射器。

作为本发明的进一步改进，所述温度检测部分由温度传感器和A/D转换电路两部分构成，所述温度传感器检测管道内温度，并将检测结果传给A/D转换电路，该A/D转换后的数字信号送入逻辑电路控制部分。

本发明的管道长度测量装置电路体积小，结构简单，能够精确的测量管道的长度。实验结果表明，该方法对0.5m到8m的管道长度进行测量时的误差在1cm以内，原理简单，成本低廉，抗干扰能力强，结构合理，轻便耐用。

附图说明

图1为测量装置整体示意图；

图2为ARM和Windows CE嵌入式系统平台的软件流程图；

图3为声波接收与前端信号预处理电路流程图

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

本发明基于ARM技术设计了一种基于声波的管道长度测量装置，如图1所示，该系统包括：逻辑电路控制部分1、声波发射部分2，温度检测部分3以及声波接收与信号预处理电路4。逻辑电路控制部分1发出脉冲信号，使声波发射部分2发射声波，从管道一端经管道传播后在另一端口附近产生发射，反射回波被声波接收与信号预处理电路4接收并处理后，送入逻辑电路控制部分1，从而得到声波在管道内的传播时间。同时，所述逻辑电路控制部分4结合所述温度检测部分3检测出的管道内的温度得到管道内声波传播的速度，根据上述得到的传播时间和速度，即可获得管道的长度。

所述逻辑电路控制部分1用于发射脉冲信号，接收经过预处理的回波信号和管道内温度，提供整体装置的逻辑控制以及管道长度的显示。该部分包括逻辑处理单元和显示单元，逻辑处理单元用于发射脉冲信号，接收经过预处理的回波信号和管道内温度，提供整体装置的逻辑控制，显示单元用于长度数值的显示。

本实施例中的逻辑处理单元采用基于ARM和Windows CE的嵌入式系统，此部分核心芯片为三星公司32位RISC处理器SC2440，显示单元采用3.5寸LCD触摸屏，加入了外围的USB、串口等接口电路，采用Windows CE操作系统完成整体系统逻辑控制，界面交互。

嵌入式系统平台下软件开发流程如图2所示。系统启动后，初始化系统，关闭接收端口中断，设置输入到D/A信号，使得可控增益倍数为10，读取温度传感器测得的管内空气温度，根据公式c＝(331.45+0.61t)m·s^-1，其中t为空气温度，单位为℃，得到该温度下空气中的声速，发射方形脉冲，脉冲宽度为0.001s，同时利用SC2440内部计数器开始计时，设置输入到DA0832的信号，使得D/A的输出随时间变化，SC2440接收端口在未来1s内等待高电平中断，如果在1s内未出现中断，则退出程序，窗口显示为“无效测量”，如果出现中断，则停止计时，记录中断到来时间，通过公式“长度＝时间×速度/2”得到管道长度，对于同一种直径管道，声波在管道另一端的反射并不是在精确的在端口处发生，需要在前述公式所算得的长度上加补偿值0.65R进行校正，此处R表示管道的半径，这样就可以得到管道的精确长度，该长度数据在LCD触摸屏上显示。

声波发射部分2包括声波发射器和功率放大系统，功率放大系统接收逻辑控制部分的脉冲信号，经过功率放大的信号驱动声波发射器。本实施例中采用8欧姆、0.25瓦特的扬声器作为声波发射器，功率放大系统由National Semiconductor公司功率放大器LM386以及外围配置电路构成，用来完成对SC2440发射的脉冲信号的功率放大。

温度检测部分3，由温度传感器和A/D转换电路两部分构成，温度传感器检测管道内温度，并将模拟信号传给A/D转换电路，A/D转换后的数字信号送入逻辑控制部分。本实施例采用National Semiconductor公司温度传感器LM35以及Analog Device公司串行A/D转换器件TL549构成，用来完成温度检测。

声波接收与信号预处理部分4包括声波接收器和信号预处理两部分，声波接收器接收回波信号，信号预处理部分对回波信号进行预处理，包括基本放大，可变增益放大，滤波，峰值检测，信号比较五个部分。该部分信号流程如图3所示。回波信号经过基本放大和可变增益放大，其中可变增益的控制由逻辑控制单元进行控制，放大的信号进过滤波后进行峰值检测，然后进行比较，比较后的信号为TTL电平，最后送入逻辑电路控制部分1。

本实施例中采用普通的微音器作为声波接收器，信号预处理部分由National Semiconductor公司放大器LM324，比较器LM311，D/A转换芯片DAC0832以及Analog Device公司可变增益放大器AD600构成，用来完成接收信号的放大，滤波，峰值检测，比较。

本实施例中声波接收与信号预处理具体流程如下：微音器接收到声波信号，经过LM324进行一级放大，放大倍数为20，放大后的信号进入AD600，AD600芯片16脚与DAC0832的输出相连，SC2440输出数字信号给DAC0832，数字信号进过数模转换后变为模拟信号提供给AD600的16脚，AD600通过16脚的模拟信号改变增益倍数，放大后的信号经过中心频率为3kHz的带通滤波器进行滤波，对滤波后的信号进行峰值检测，检出的包络信号送到比较器，与设好的回波阈值电压进行比较，经过比较器的信号直接送给SC2440的接收端口，如果存在回波，则比较器输出高电平，高电平使得SC2440的接收I/O端口产生中断，否则为低电平不产生中断。

本装置的具体测量流程如下：

声波发射器和接收器以及温度传感器3放置在管道的同一端，采用ARM作为逻辑控制部分发出脉冲信号，脉冲信号通过LM386组成的功率放大电路后驱动发射器，使得发射器发出声波脉冲。声波脉冲在钢管内部空气中传播，在另一端口处管道内与管道外的区域有一个突变，在该端口处会存在反射，反射信号沿反方向传播到达钢管发射一侧，声波接收器就会接收到反射信号。反射信号进过信号预处理进入ARM，ARM内部的计时器精确计算声波脉冲在钢管内部的传输时间，同时温度传感器检测的管道内部空气温度，根据公式c＝(331.45+0.61t)m·s^-1，其中t为空气温度，单位为℃，得到该温度下空气中的声速，然后根据公式“长度＝声速×时间/2”得到管道的大致长度。声波沿管道传播时，在另一端的反射并不是恰好是在端口产生，而是在管道外距端口处一定距离处发生反射，该反射处位置与管道的直径有关。对于直径一定的管道，可在后期的数据处理中进行补偿校正，加入误差校正值0.65R，使得测量的精度更高。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。因此，本发明以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于声波的管道长度测量装置，包括逻辑电路控制部分(1)、声波发射部分(2)，温度检测部分(3)，以及声波接收与信号预处理电路(4)，

其中，所述逻辑电路控制部分(1)用于发出脉冲信号，以使所述声波发射部分(2)发射声波，发射的声波从待测管道一端经该管道传播后在另一端口附近产生发射，反射回波被所述声波接收与信号预处理电路(4)接收处理，并送入所述逻辑电路控制部分(1)，进而得到声波在待测管道内的传播时间；同时，所述逻辑电路控制部分(4)根据所述温度检测部分(3)检测出的待测管道内的温度得到该管道内声波传播的速度，根据上述测得的传播时间和速度，即可获得管道的长度。

2.根据权利要求1所述的基于声波的管道长度测量装置，其特征在于，所述的逻辑电路控制部分(1)包括逻辑处理单元和显示单元，其中所述逻辑处理单元用于发射脉冲信号，接收经过预处理的声波回波信号和管道内温度，并提供整个装置的逻辑控制；所述显示单元用于显示测量结果。

3.根据权利要求1或2所述的基于声波的管道长度测量装置，其特征在于，所述声波接收与信号预处理部分(4)包括声波接收器和信号预处理部分，所述声波接收器接收回波信号，所述信号预处理部分用于对接收的回波信号进行预处理。

4.根据权利要求3所述的基于声波的管道长度测量装置，其特征在于，所述的预处理包括基本放大，可变增益放大，滤波，峰值检测和信号比较，所述回波信号经过基本放大和可变增益放大，放大后的信号经过滤波后进行峰值检测，然后进行比较，比较后的信号为TTL电平，最后送入逻辑电路控制部分。

5.根据权利要求1-4之一所述的基于声波的管道长度测量装置，其特征在于，所述声波发射部分(2)包括声波发射器和功率放大系统，该功率放大系统接收逻辑控制部分(1)的脉冲信号，经过功率放大处理后驱动声波发射器发射声波。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于声波的管道长度测量装置，其特征在于，所述温度检测部分(3)由温度传感器和A/D转换电路两部分构成，所述温度传感器检测待测量管道内的温度，并将检测结果传给A/D转换电路，该A/D转换后的数字信号送入逻辑电路控制部分(1)。

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