CN103412043A - 无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：由测量盒、测量管、反射浮子、无线收发超声波测量控制电路构成，在测量盒的下部并排固装两个测量管，该测量管的管壁均匀制有通孔，在其中一个测量管内间隙配合放置一只反射浮子，在测量盒内安装无线收发超声波测量控制电路，该无线收发超声波测量控制电路包括两个对应于所述两个测量管的超声波传感器。本发明结构简单，方法先进，测试可靠准确，体积小，检测方便，可实现大面积、连续准确采集大量数据，无需人员现场测量，操作简便，特别适用于在海湖盐生产中对卤水波美度、蒸发量、卤水深度（液位）的测量。

Description

无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置及方法

技术领域

本发明属于盐田制卤检测装置领域，特别是一种无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置及方法。

背景技术

目前，在盐田制卤领域中，大都使用波美度计和小型蒸发器、大型蒸发桶和蒸发皿等几种以及人工用尺等进行现场测量，实际操作过程存在诸多缺陷：

1.制卤工作人员常年在野外工作。生产中的卤水波美度（卤水浓度）、蒸发量、卤水深度（液位）等制卤生产工艺参数，都需要进行人工测量、观测、采集数据、记录、整理报表等，工作环境恶劣，工作人员费力费时。

2.由于一般盐场制卤面积比较大，制卤工作人员人数有限，导致采集数据量有限（一个工作日内），而且不能进行各采集点多参数（波美度、蒸发量、液位）数据同时采集。

3.对于制卤工作人员，每个人没法进行连续准确的数据采集，只能进行某时刻的单点采集，这就带来了采集误差，对于头一个采集数据和最后一个采集数据时间上可能相差许多。因此数据偏离太多就给在分析数据方面带来了很多麻烦，对于指导生产也有很大的局限。另外，读数人为因素也可能会影响数据准确性。

4.其采集点数据受到时间，环境的影响，现有技术完成一个周期采集无法排除以上影响。各个采集点多参数（波美度、蒸发量、液位）是有差异的。原先的参数的数据采集方法也不能实现各点的在线数据实时采集。

5.利用接触式方法数据采集，带来了腐蚀、结晶以及结垢等，会影响测量精度问题。另外，利用现有的方法，测量多参数使用的仪器设备多，携带和测量不方便的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实现大面积、连续准确采集大量数据，且省时省力的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置及方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：由测量盒、测量管、反射浮子、无线收发超声波测量控制电路构成，在测量盒的下部并排固装两个测量管，该测量管的管壁均匀制有通孔，在其中一个测量管内间隙配合放置一只反射浮子，在测量盒内安装无线收发超声波测量控制电路，该无线收发超声波测量控制电路包括两个对应于所述两个测量管的超声波传感器。

而且，所述的反射浮子主要由反射板、细管、粗管、垂坠物构成，在细管的顶端固装反射板，在细管的下部设置粗管，细管的底端内部密封放置垂坠物。

而且，所述的细管直径与粗管直径的比值为1：2～3，细管高度为105～150mm，细管直径为10～20mm，粗管高度为45～60mm，粗管直径为20～60mm。

而且，所述反射浮子的粗管外壁设置有圆周均匀布置的0-4片翅片。

而且，所述无线收发超声波测量控制电路主要由电源模块、CPU、无线发射模块、第一超声波传感器、第二超声波传感器构成，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器均连接至CPU，电源模块为所述CPU、第一超声波传感器及第二超声波传感器供电，CPU连接所述无线发射模块。

而且，还包括温度传感器及A/D转换模块，温度传感器通过A/D转换模块连接至CPU，电源模块为温度传感器及A/D转换模块供电。

一种无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量方法，其特征在于：其测量方法的步骤为：

⑴标定30°Bé时水头H1及压力P1：

H1=H0-△H1，H0为已知原长，△H1为超声波检测出30°Bé时水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，P1=ρ₁gH1；ρ₁为30°Bé卤水的密度；

⑵标定清水中水头H2及压力P2：

H2=H0-△H2，H0为已知原长，△H2为超声波检测出清水中水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，P2=ρ₂gH2；ρ₂为清水时即0°Bé的密度；

⑶测量出任意时刻的水头H：

H=H0-△H，H0为已知原长，△H为测量状态下超声波检测出水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，

计算出任意波美度的压力P，任意波美度中压力P和水头H之间的换算关系为：

H=（(H2-H1)/（P2-P1)）(P-P1)+H1；P=ρgH;ρ为任意波美度°Bé卤水的密度。

⑷计算任意时刻波美度：

波美度=30x（P2-P）/(P2-P1)°Bé，

或波美度=30x(H2-H)/(H2-H1)°Bé，

或波美度=30x(△H-△H2)/(△H1-△H2)°Bé

可将上述波美度换算成密度，波美度和密度之间换算关系为：

波美度=144.3-(144.3/密度)°Bé

⑸将上述测量值无线传输至上位机进行显示、记录。

而且，还包括如下步骤：

通过测的液位就可以得到卤水深度，其测量方法为超声波检测的卤水的水表面的距离与卤水池池底的距离之差。

而且，还包括如下步骤：

通过不同时间测量所得液位差值转换求得蒸发量，液位差值测量方法是某一时刻超声波检测的卤水的水表面的距离与卤水池池底的距离之差。

本发明的优点和有益效果为：

1.本发明的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其可将超声波传感器测得的距离信号通过无线收发超声波测量控制电路进行采集、处理、发送，可实现24小时波美度°Bé、卤水深度、蒸发量的自动观测、采集、记录。

2.本发明的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，实现多个测量点同时进行观测，保证其精确度。

3.本发明的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，由于可以同时进行观测、采集、记录，解决了之前各点采集时间不一致而导致测量环境不同造成的误差。

4.本发明的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，可提供每个时间段的波美度°Bé、卤水深度、蒸发量数据进行分析，找出规律，进一步指导生产。

5.本发明的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，避免了接触式测量带来的腐蚀，结晶，结垢等弊端。

6.本发明的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，整体粗细长短成恰当比例，铅弹重量适中。反射浮子测量时轴向上细部高度方向的水头有放大作用。

7.本发明结构简单，方法先进，测试可靠准确，体积小，检测方便，可实现大面积、连续准确采集大量数据，无需人员现场测量，操作简便，特别适用于在海湖盐生产中对卤水波美度、蒸发量、卤水深度（液位）的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图（清水即0°Bé反射）；

图2为本发明的结构示意图（30°Bé卤水反射）；

图3为本发明的反射浮子的结构示意图；

图4为图3的A-A部剖视图；

图5为本发明的电路原理方框图。

附图说明：

1-反射浮子、2-测量管、3-密封垫、4-超声波传感器、5-测量盒、6-螺钉、7-超声波传感器、8-反射板、9-细管、10-粗管、11-翅片、12-内密封板、13-垂坠物。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其由测量盒5、测量管2、反射浮子1、无线收发超声波测量控制电路构成，在测量盒的下部并排固装两个测量管，测量管上端通过螺钉6与测量盒底面固装。该测量管的管壁均匀制有通孔，在一个测量管内间隙配合放置反射浮子，在测量盒内安装无线收发超声波测量控制电路，该无线收发超声波测量控制电路包括两个对应于所述两个测量管的超声波传感器4、7。超声波传感器与测量盒底面之间通过密封垫3密封。

反射浮子包括反射板8、细管9、粗管10、垂坠物13，在细管的顶端固装反射板，在细管的下部设置粗管，细管的底端内部密封放置垂坠物。细管内部通过内密封板12将铅弹密封隔开。采用铅弹作为垂坠物。细管直径与粗管直径的比值为1：2～3，细管高度为105～150mm，细管直径为10～20mm，粗管高度为45～60mm，粗管直径为20～60mm。整体粗细长短成恰当比例，铅弹重量适中。反射浮子测量时轴向上细部高度方向的水头有放大作用。反射浮子的粗管外壁设置有圆周均匀布置的翅片11。翅片为0-4片。

采用本发明测量装置的卤水波美度、蒸发量、液位测量方法，其步骤为：

⑴标定30°Bé时水头H1及压力P1：

H1=H0-△H1，H0为已知原长，△H1为超声波检测出30°Bé时水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，P1=ρ₁gH1；ρ₁为30°Bé卤水的密度。

⑵标定清水中水头H2及压力P2：

H2=H0-△H2，H0为已知原长，△H2为超声波检测出清水中水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，P2=ρ₂gH2；ρ₂为清水时即0°Bé的密度。

⑶量出任意时刻的水头H：

H=H0-△H，H0为已知原长，△H为测量状态下超声波检测出水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，

计算出任意波美度的压力P，任意波美度中压力P和水头H之间的换算关系为：

H=（(H2-H1)/（P2-P1)）(P-P1)+H1；P=ρgH;ρ为任意波美度°Bé卤水的密度。

⑷计算任意时刻波美度：

波美度=30x（P2-P）/(P2-P1)°Bé，

或波美度=30x(H2-H)/(H2-H1)°Bé。

或波美度=30x(△H-△H2)/(△H1-△H2)°Bé

可将上述波美度换算成密度，波美度和密度之间换算关系为：

波美度=144.3-(144.3/密度)°Bé

⑸通过测的水位（液位）就可以得到卤水深度。标定方法是超声波检测的卤水的水表面的距离与卤水池池底的距离之差。

⑹通过不同时间测量可以得到其水位(液位)。标定方法是某一时刻超声波检测的卤水的水表面的距离与卤水池池底的距离之差即某时刻水位（液位）。不同时刻的水位的差值转换求得蒸发量。

⑺将上述测量值无线传输至上位机进行显示、记录。

超声波测距原理：不超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。

温度测量原理：根据铂热电阻PT1000阻值会随着温度的变化而改变的特性将其对外界温度的感应转换成为电信号（属于模拟信号），且精度高；用低功耗、低噪声的16/24位Σ-Δ型ADC（AD7792）将PT1000输出的模拟信号经过调理放大等并转换成可以被单片机识别的数字信号，通过SPI通讯方式进入CC2530，在CPU内部通过编程运算等手段，计算出当时PT1000的阻值，在计算出此时的温度。此种方法测得的温度精度高，稳定性好。

如图5所示：无线收发超声波测量控制电路由电源模块、CPU、温度传感器、A/D转换模块、无线发射模块、第一超声波传感器、第二超声波传感器构成，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器均连接至CPU，温度传感器通过A/D转换模块连接至CPU，电源模块为所述CPU、温度传感器、A/D转换模块供电，CPU连接所述无线发射模块。

其中，电源模块采用DC5V电源；CPU采用CC2530型CPU；温度传感器采用PT1000温度传感器；A/D转换模块采用AD7792ADC。

DC5V电源由外部的开关电源提供，并转换出3.3V单元给CPU和温度采集部分（AD7792与PT1000温度传感器）使用；CPU负责数据的采集、转换、计算与发送；PT1000温度传感器根据自身阻值会随着温度的变化而改变的特性将其对外界温度的感应转换成为电信号（属于模拟信号），传输到ADC（AD7792），ADC（AD7792）则将PT1000传过来对的模拟信号经过调理放大等并转换成为CPU能够识别的数字信号，通过SPI通讯的方式将数字信号传给CPU；第一超声波传感器与第二超声波传感器集成了超声波发射器、接收器与控制电路，根据超声波测距原理测出探头到目标物体间的距离，并传给CPU；CPU将所有需要传输交换的信息进行汇总后，通过无线的方式发送出去，最终传给上位机。

测量模块硬件电路工作原理是测距模块根据单片机指令完成一次超声波发射及接收过程，过程结束发出结束信号。单片机计算出一个测距过程所用的时间并通过温度修正算出距离。同时单片机负责测点无线组网及数据无线传输，上位机(PC)接收数据并显示，向单片机发送命令实现测量信号的标定及校正。

本发明的相关技术参数：

产品型号:BYD_ZPCW1001

无线频段：2.4GHz unlicensed ISM band

工作温度：-20～+85℃

频道数：16

输入电压：DC5V无线频段：2.4GHz unlicensed ISM band

发射电流：<33mA(4.5dBm)

接收电流：<24mA

休眠功耗：<1uA

工作温度：-40～85℃

长X宽X高(mm)：22X20X2

无线速率：250Kbps

传输距离：300m

灵敏度：-97dBm

发射功率：4.5dBm

频道数：16

天线方式：PCB

接口形式：Pin Header

输入电压：3.3V

符合IEEE802.15.4/ZigBee标准规范

无线传输速率最大为250kbps/s

浓度测量范围:波美度：0～30°Bé

浓度测量精度:波美度：±0.1°Bé

液位测量范围:10～50cm

液位测量精度:±0.5mm

蒸发量测量范围:-500～+1000mm

蒸发量测量精度:±0.5mm

信号采集时间：由上位机软件设定

实现24小时信息采集符合IEEE802.15.4/ZigBee标准规范，实现物联网无线通信；

无线传输速率最大为250kbps/s，支持11～26信道随机选择；

提供SimpleMac协议栈，支持星型网、树型网和网状网构建；

环境监测点，实现传感器信息采集。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (9)

1.一种无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：由测量盒、测量管、反射浮子、无线收发超声波测量控制电路构成，在测量盒的下部并排固装两个测量管，该测量管的管壁均匀制有通孔，在其中一个测量管内间隙配合放置一只反射浮子，在测量盒内安装无线收发超声波测量控制电路，该无线收发超声波测量控制电路包括两个对应于所述两个测量管的超声波传感器。 

2.根据权利要求1所述的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：所述的反射浮子主要由反射板、细管、粗管、垂坠物构成，在细管的顶端固装反射板，在细管的下部设置粗管，细管的底端内部密封放置垂坠物。 

3.根据权利要求1所述的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：所述的细管直径与粗管直径的比值为1：2～3，细管高度为105～150mm，细管直径为10～20mm，粗管高度为45～60mm，粗管直径为20～60mm。 

4.根据权利要求2所述的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：所述反射浮子的粗管外壁设置有圆周均匀布置的0-4片翅片。 

5.根据权利要求1所述的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：所述无线收发超声波测量控制电路主要由电源模块、CPU、无线发射模块、第一超声波传感器、第二超声波传感器构成，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器均连接至CPU，电源模块为所述CPU、第一超声波传感器及第二超声波传感器供电，CPU连接所述无线发射模块。 

6.根据权利要求1所述的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量装置，其特征在于：还包括温度传感器及A/D转换模块，温度传感器通过A/D转换模块连接至CPU，电源模块为温度传感器及A/D转换模块供电。 

7.一种无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量方法，其特征在于：其测量方法的步骤为： 

⑴标定30°Bé时水头H1及压力P1： 

H1=H0-△H1，H0为已知原长，△H1为超声波检测出30°Bé时水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，P1=ρ₁gH1；ρ₁为30°Bé卤水的密度； 

⑵标定清水中水头H2及压力P2： 

H2=H0-△H2，H0为已知原长，△H2为超声波检测出清水中水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值，P2=ρ₂gH2；ρ₂为清水时即0°Bé的密度； 

⑶测量出任意时刻的水头H： 

H=H0-△H，H0为已知原长，△H为测量状态下超声波检测出水平面反射距离与反射浮子反射距离的差值， 

计算出任意波美度的压力P，任意波美度中压力P和水头H之间的换算关系为： 

H=（(H2-H1)/（P2-P1)）(P-P1)+H1；P=ρgH;ρ为任意波美度°Bé卤水的密度； 

⑷计算任意时刻波美度： 

波美度=30x（P2-P）/(P2-P1)°Bé， 

或波美度=30x(H2-H)/(H2-H1)°Bé， 

或波美度=30x(△H-△H2)/(△H1-△H2)°Bé 

可将上述波美度换算成密度，波美度和密度之间换算关系为： 

波美度=144.3-(144.3/密度)°Bé 

⑸将上述测量值无线传输至上位机进行显示、记录。 

8.根据权利要求7所述的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量方法，其特征在于：还包括如下步骤： 

通过测的液位就可以得到卤水深度，其测量方法为超声波检测的卤水的水表面的距离与卤水池池底的距离之差。 

9.根据权利要求7所述的无线收发超声波卤水波美度、蒸发量、液位测量方法，其特征在于：还包括如下步骤： 

通过不同时间测量所得液位差值转换求得蒸发量，液位差值测量方法是某一时刻超声波检测的卤水的水表面的距离与卤水池池底的距离之差。 

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