CN103674181A

CN103674181A - 动态液位超声检测装置与方法

Info

Publication number: CN103674181A
Application number: CN201310646396.2A
Authority: CN
Inventors: 宋寿鹏; 赵腾飞; 耿伟; 彭成庆; 杨阳
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及一种动态液位超声检测方法与装置，由三个超声波传感器S1、S2、S3组成三角形阵列，阵列置于被测容器C的外侧底部，同步模块U1控制超声波收发模块U2发射超声脉冲，超声波传感器包括发射传感器和接收传感器，接收脉冲经放大模块U3、检波模块U4、滤波模块U5处理后，经A/D模块U6采样送入单片机系统U7，经信号处理算法A处理后，得到液体在动态晃动情况下的液位静态当量，由显示模块U8显示。该发明可用于各种液体在贮运过程中液位、液体体积和质量的实时监测场合。

Description

动态液位超声检测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种动态液位超声检测方法与装置，通过将三角形布阵的超声传感器安装在容器底部，结合本发明中液位计算方法，可实现液体在动态情况下的液位实时监测。可用于各种液体在贮运过程中液位、液体体积和质量的实时监测场合。

背景技术

液位测量广泛应用于石油、化工等部门。实现无接触、智能化测量是液位计目前的发展方向。随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。现有对于静态液位的测量方法及测量设备已经很完善，而对于动态液位的测量还有所欠缺。

国外液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。

现有液位检测方法主要有：浮子式液位计、差压式液位计、电容式液位计、磁致伸缩式液位计、光纤液位传感器、射线式液位计及雷达超声波液位计等（杨万国,贾延刚.多种液位仪表的应用对比[J].石油工程建设,2004,30(1):38～43）。这些液位检测方法，一般只适应于静态工况下的液位检测，当液体在运输或输送状态下处于动态时，这些方法就无法对液位进行有效测量。

超声波液位计（刘艳艳.超声波液位计的研究[D].北京：国防科技大学，2006）适用于各种液体如高粘度液体，其表面为水平即可、开闭口容器和槽渠等场合。它的各个部件不需接触液体，从而克服了浮子式、差压式、电容式等接触测量所带来的泄漏、清洗等麻烦。但是其换能器仍要安装在容器内部顶端，易被蒸汽腐蚀，且工作温度、湿度都会影响超声波传播速度，从而造成测量误差。超声波液位计的安装还需要有一条从换能器到液面的垂直、反射通畅通道，不能被内部件所阻挡。这个要求在内装空冷、加热盘管的容器上是难以满足的。

近来美国七个厂家对其超声波液位计进行了改进，采用了人工智能软件，通过建立超声波分布图，消除了粉尘、蒸汽、反射面泡沫、反射面凹凸不平、容器内虚假目标如横梁阻挡声波通道的影响，从而提高了测量精度。

超声波测量液位技术基于超声波在液体中的传播速度及遇到被测液体表面产生反射的原理。通过计算发射超声波与接收到回波之间的时间差，由时间乘以声波速度，可以知道液位的高度。智能化的超声波液位仪带有一个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来，识别多重回波，分折信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也是精确的。新型气密结构、耐腐蚀的超声换能器可测量高达15m的液位，E+H公司研制的ProsonicFMU860/861/862超声液位仪精度可达±0.2%，输出信号符合HART协议或profibus总线标准或FF总线标准。

鉴于目前液位计只能进行静态液位测量，本发明给出了一种动态液位检测的方法及装置，当然,该方法和装置也可以实现静态液位的测量，适用于动态及静态液位的实时检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于液体贮运过程中容器内液体液位、体积及质量的动态监测方法及装置。

一种动态液位超声检测方法与装置，其技术方案如下，其包括：收发超声波信号的超声传感器、信号处理模块以及信号转换模块及单片机。

1）S1、S2、S3三个超声传感器组成三角形阵列结构，置于被测容器C的外侧底部；S1、S2、S3三个超声传感器为同型传感器，工作频率相同，组成任意三角形阵列时，其相对空间座标及相对空间位置为已知，以其中任意一个传感器作为相对位置的参考点，传感器置于被测容器C底部，向容器上方有液体的方位发射超声波，传感器在容器外部，不破坏原容器结构及整体性，传感器布阵完成后，应保证其空间相对位置不能变动。

2）同步模块U1控制超声波收发模块U2使三个超声传感器S1、S2、S3同时发射超声脉冲信号；同步模块U1是用来控制超声波收发模块U2同步发射超声波，以保证三个超声传感器检测各自对应点的液位时，其液位是同一时刻的液位。

3）三个超声波传感器S1、S2、S3，接收液面反射回波信号；

4）三路超声传感器将各自接收的超声回波信号进入处理模块进行模拟信号处理，主要模块包括放大模块U3、检波模块U4及滤波模块U5；为三路独立模块，分别处理三路回波信号。

5）超声回波信号经模拟信号处理后，输入A/D采样模块U6进行数字化处理；所述A/D采样模块U6为三路独立采样，以保证采样数据的同步性。

6）数字化处理后信号送入单片机系统U7,经算法A处理后，得到液位值，并由显示模块U8进行显示。

三个超声波传感器S1、S2、S3包括发射传感器和接收传感器，接收液面反射回波信号。

一种动态液位超声检测方法，其检测装置按照要求安装好，进行检测，其步骤包括：

（1）同步模块U1控制超声波收发模块U2使三个超声传感器S1、S2、S3同时发射超声脉冲信号，超声波遇液面表面发生反射；

（2）由液面反射回来的回波信号，由三个超声波传感器S1、S2、S3，接收液面反射回来的各自的回波信号；

（3）三路超声传感器将各自接收的超声回波信号进入处理模块进行模拟信号处理，主要包括放大模块U3、检波模块U4及滤波模块U5；

（4）超声回波信号经模拟信号处理后，输入A/D采样模块U6进行数字化处理；

（5）数字化处理后信号送入单片机系统U7，经算法A处理后，得到液位值，并由显示模块U8进行显示。

所述算法A具体为：

1）将三路传感器同一时刻发射的超声波的回波信号存储在单片机中；

2）预先将被测容器内部高度与内部体积的关系输入到单片机中；

3）由超声回波信号最大峰值点计算各自对应延时；

4）由测得的延时值和超声波在被测液体中的声速，计算三路传感器对应点的液位高度；

5）建立晃动液位斜面的平面方程，其与容器内部相交部分以下体积就是晃动情况下液体的体积，若要计算液体质量，乘以液体比重就可以得到；若是计算液位的静态当量高度，则根据体积不变的原理，利用测容器内部高度与内部体积的关系，就可得到液位高度。

本发明的特点是在被监测容器底部安装三个同型号超声收、发传感器，传感器组成位置相对固定的三角阵列，同步向上方发射脉冲超声波，由接收回波时差计算对应点液面高度，再由本发明中提供的算法得到液体动态和静态情况下的液面高度、体积或质量参数。这些参数可以用来显示，也可用作监控。本发明尤其适用于低粘度、晃动频率较低的场合。

附图说明

图1是本发明方法及装置的组成及原理示意图；

图2是本发明用于液位计算时坐标系建立示意图；

图3是本发明超声传感器超声波激励电路原理图；

图4是本发明超声回波信号放大电路原理图；

图5是本发明超声回波信号包络检波电路原理图；

图6是本发明装置主控电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和所示的实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本实施例以圆柱体液体贮运容器为例，首先说明其液位高度的计算算法。

如图1所示，为本发明的方法及装置的组成及原理示意图，其在容器C的底部外侧设有S1、S2、S3三个超声波传感器，该三个超声波传感器的排列组成三角形，同步模块U1控制超声波收发模块U2使三个超声传感器S1、S2、S3同时发射超声脉冲信号，三路超声传感器将各自接收的超声回波信号进入处理模块进行模拟信号处理，主要模块包括放大模块U3、检波模块U4及滤波模块U5；超声回波信号经模拟信号处理后，输入A/D采样模块U6进行数字化处理；数字化处理后信号送入单片机系统U7，经算法A处理后，得到液位值，并由显示模块U8进行显示。

参见图2所示，建立如图2所示的坐标系，其中S1是坐标原点，S1S3为y轴，铅垂方向为z轴，x轴与yoz平面垂直，O1为容器底部圆的原心，其坐标为已知O1（x7,y7,z7），半径为r。设容器底部放置的三个超声传感器的坐标分别为S1（0,0,0）、S2（x2,y2,0）及S3（0,y3,0），其中，x2,y2,y3均为已知；当液体晃动时，假设液面为一倾斜平面，S1、S2、S3向上发射超声波时，其照射点分别为P1、P2、P3，并且组成了倾斜平面，其坐标分别为P1（0,0,h1）、P2（x2，y2，h2）、P3（0，y3,h3），其中，h1=(t1×V)/2，h2=(t2×V)/2，h3=(t3×V)/2，t1,t2,t3分别为S1,S2,S3三个传感器接收到由倾斜平面上P1，P2，P3反射回波所用的时间，由实际测试时得到，V为声波在液体中的传播速度。倾斜平面与圆柱形容器斜切时铅垂方向的最大高度对应点为M2（a,b,c），最低高度对应点为M1（d,e,f），其坐标未知。

倾斜液面的方程可由P1，P2，P3三点确定，

\frac{V}{2} [y 2 (t 3 - t 1) - y 3 (t 2 - t 1)] x + \frac{Vx 2 (t 1 - t 2)}{2} y + x 2 y 3 (z - h 1) = 0 - - - (1)

共法向量为,

\overset{&RightArrow;}{n} = (\frac{V}{2} [y 2 (t 3 - t 1) - y 3 (t 2 - t 1)], \frac{Vx 2 (t 1 - t 3)}{2}, x 2 y 3) - - - (2)

最大高度对应点为M2（a,b,c），最低高度对应点为M1（d,e,f），为了求解M1和M2点的坐标，建立如下所示方程组，

\{\begin{matrix} A_{1} a + B_{1} b + C_{1} (c - h 1) = 0 \\ A_{2} (a - x 2) + B_{2} (b - y 2) + C_{2} (c - h 2) = 0 \\ A_{3} a + B_{3} (b - y 3) + C_{3} (c - h_{3}) = 0 \\ f - c = 2 r \tan [\arccos \frac{C_{0}}{\sqrt{A_{0}^{2} + B_{0}^{2} + C_{0}^{2}}}] \\ \frac{2 r \sqrt{A_{0}^{2} + B_{0}^{2} + C_{0}^{2}}}{C_{0}} = \sqrt{{(a - b)}^{2} + {(b - e)}^{2} + {(c - f)}^{2}} \\ {(a - x 7)}^{2} + {(b - y 7)}^{2} = r^{2} \end{matrix} - - - (3)

其中，

\{\begin{matrix} A_{0} = \frac{V}{2} [y 2 (t 3 - t 1) - y 3 (t 2 - t 1)] \\ B_{0} = \frac{Vx 2 (t 1 - t 3)}{2} \\ C_{0} = x 2 y 3 \end{matrix}

\{\begin{matrix} A_{1} = b (f - h 1) - e (c - h 1) \\ B_{1} = d (c - h 1) - a (f - h 1) \\ C_{1} = ae - bd \end{matrix}

\{\begin{matrix} A_{2} = (b - y 2) (f - h 2) - (c - h 2) (e - y 2) \\ B_{2} = (d - x 2) (c - h 2) - (a - x 2) (f - h 2) \\ C_{2} = (a - x 2) (e - y 2) - (d - x 2) (b - y 2) \end{matrix}

\{\begin{matrix} A_{3} = (b - y 3) (f - h 3) - (e - y 3) (c - h 3) \\ B_{3} = d (c - h 3) - a (f - h 3) \\ C_{3} = a (e - y 3) - d (b - y 3) \end{matrix}

由以上方程可以求得M2（a,b,c）和M1（d,e,f）的坐标值，进而得到容器中的液体体积Vol，

Vol = {cπr}^{2} + \frac{(f - c) π r^{2}}{2} - - - (4)

容器中液体质量为M，

M＝ρVol

（5）

其中，ρ为液体密度。

容器在动态下液位高度H为，

H = \frac{Vol}{π r^{2}} - - - (6)

如果液体是静态的，则其液位H₁为，

H_{1} = \frac{V (t 1 + t 2 + t 3)}{6} - - - (7)

由于超声波采用脉冲方式发射，重复频率较高，所以为提高液位检测精度，可以采用多次测量结果平均的方法。

如图3所示，本装置中超声波发射模块电路原理图，包含U2模块，U1模块功能由单片机系统模块U7实现。电路采用的是基于高压电源的电容放电式的尖脉冲产生方法，包括MOS管的驱动电路和高压尖脉冲发生电路两部分。高压尖脉冲发生电路采用MOS管栅极输入控制脉冲，当触发信号没有到达时，栅极为低电位，MOS管关断，直流高压电源HD通过充电电阻R₉、R₁₀和二极管D₄向储能电容C₁₄充电；当触发信号到来时，MOS管突然导通，储能电容C₁₄存储的能量瞬间通过MOS管Q₃、二极管D₃、电阻R₁₁与R₁₂放电，在电阻R₁₁与R₁₂串联的两端产生一个尖脉冲，这个尖脉冲施加在与电阻R₁₁与R₁₂并联的超声波换能器上，换能器便得到一个很高的瞬间电压，压电晶片受激振动发生形变而产生超声波。为了保证MOS管的快速打开，一方面要选择寄生电容尽可能小的MOS管；另一方面必须为其提供峰值为1.5-2.0A的栅极驱动电流。故必须设计MOS管的栅极驱动电路。本发明采用了由IR2110和互补电路组成的MOS管的驱动电路，可以使场效应管的导通速度更快。IR2110是高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源，可输出12V电压，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，可以将高压部分与低压部分隔离，增强了系统的稳定性。互补电路由一个NPN型的晶体管和一个PNP型的晶体管组成。场效应管Q₃选用N沟道MOS管IFR740，其额定导通时间为最大为24ns，导通电阻为0.48Ω，可以承受400V高压和10A电流，很接近理想开关状态。二极管D₃、D₄应选用高反压、快恢复二极管UF4007，一方面为电路提供了通路，另一方面有效的阻止了发射电路的噪声进入后续的回波接收电路中去。为使尖脉冲后沿陡峭，充电电容和阻尼电阻的值应尽可能的小，但实验表明其值的减小将导致脉冲幅值的下降。设计电容选取1000P，阻尼电阻选取500Ω可调。调节阻尼电阻的大小可以改变激励脉冲宽度和发射强度。阻尼电阻小,激励脉冲窄，发射强度小；阻尼电阻大，发射脉冲宽，发射强度大。

如图4所示，本装置中超声回波信号放大电路，主要包括U3模块，超声传感器采用发、收双模式工作方式，电路中采用并联限幅，限幅电路由两个二极管反向并联而成，放大电路采用双电源、双运放放大电路结构，供电电压为±5V，运放采用AD811，其闭环增益与闭环带宽可以通过电阻R₁₇、R₁₉和R₁₆、R₁₈来获得，当改变反馈电阻R₁₇、R₁₉时，就调节了带宽；改变电阻R₁₆、R₁₈时，就改变了增益。将信号源和运放用交流耦合，这样电路就只会对交流信号产生放大作用。输入和输出器件参考系统地，运放电路参考虚地。

如图5所示，本装置中超声回波信号包络检波电路，主要包括U4和U5模块，电路功能主要由三部分组成：由二极管、RC组成的包络提取电路；用于去除噪声稳定信号的低通滤波电路；包络放大电路，由于得到的包络信号幅度较低，故加此一级放大电路对波形幅度进行调整，以满足后端ADC数据采集模块对输入电压的要求。

如图6所示，本装置主控电路，主要包括U6、U7和U8模块，U6模块采用ADC0809，用来实现检波后低频包络信号的采样；U7模块采用AT89C52，其主要功能是发出同步脉冲控制信号，存储数据，实现算法A，将结果通过端口输出给U8模块；U8模块为7段码LED，可以用来显示由U7单元给出的输出结果。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种动态液位超声检测装置，其特征在于，所述装置包括：

1）S1、S2、S3三个超声传感器组成三角形阵列结构，置于被测容器C的外侧底部；

2）同步模块U1控制超声波收发模块U2使三个超声传感器S1、S2、S3同时发射超声脉冲信号；

3）三个超声波传感器S1、S2、S3，接收液面反射回波信号；

4）三路超声传感器将各自接收的超声回波信号进入处理模块进行模拟信号处理，主要包括放大模块U3、检波模块U4及滤波模块U5；

5）超声回波信号经模拟信号处理后，输入A/D采样模块U6进行数字化处理；

6）数字化处理后信号送入单片机系统U7，经算法A处理后，得到液位值，并由显示模块U8进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种动态液位超声检测装置，其特征在于：

S1、S2、S3三个超声传感器为同型传感器，其工作频率相同，组成任意三角形阵列时，其相对空间座标及相对空间位置为已知，以其中任意一个传感器作为相对位置的参考点。

3.根据权利要求1所述的一种动态液位超声检测装置，其特征在于，所述同步模块U1是用来控制超声波收发模块U2同步发射超声波，可保证三个超声传感器检测各自对应点的液位时，其液位是同一时刻的液位。

4.根据权利要求1所述的一种动态液位超声检测装置，其特征在于，所述三个超声波传感器S1、S2、S3包括发射传感器和接收传感器，发射传感器发射信号，接收传感器接收液面反射的回波信号。

5.根据权利要求1所述的一种动态液位超声检测装置，其特征在于，所述模拟信号处理模块，包括放大模块U3、检波模块U4及滤波模块U5，上述的三模块为三路独立模块，分别处理三路回波信号。

6.根据权利要求1所述的一种动态液位超声检测装置，其特征在于，所述A/D采样模块U6为三路独立采样，以保证采样数据的同步性。

7.一种动态液位超声检测方法，其特征在于：其步骤包括：

（1）同步模块U1控制超声波收发模块U2使三个超声传感器S1、S2、S3 同时发射超声脉冲信号，超声波遇液面表面发生反射；

8.根据权利要求7所述的一种动态液位超声检测方法，其特征在于：

所述算法A具体为：

3）由超声回波信号最大峰值点计算各自对应延时；

5）建立晃动液位斜面的平面方程，其与容器内部相交部分以下体积就是晃动情况下液体的体积，若要计算液体质量，乘以液体比重就可以得到；若是计算液位的静态当量高度，则根据体积不变的原理，利用测容器内部高度与内部体积的关系关系，可得到液位高度。