CN103913208A - 具有声速自校准功能的外置式超声波液位计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

具有声速自校准功能的外置式超声波液位计，DSP处理器与OLED显示屏和温度传感器相连，DSP处理器与超声波驱动接收模块相连，超声波驱动接收模块通过超声波换能器与被测储罐相连；测量方法为：1）测量探头和自校准探头分别外贴在被测罐体的罐底和罐壁上；2）启动DSP处理器，超声波液位计进入双探头测量模式，通过自校准探头直接校准参考声速或使用温度声速数据表间接校准参考声速；3）声速校准后，检测盲区位置；4）ADC模块采集超声波信号，获得被测介质的回波数据，计算出超声波传播往返时间；5）根据参考声速和传播时间，计算出液面高度；6）计算出的液位值进行液位稳定性处理；7）更新OLED屏液位显示结果和4～20mA输出，将最新液位值保存在FLASH中。

Description

具有声速自校准功能的外置式超声波液位计及其测量方法

技术领域

本发明属于储罐液位测量技术领域，具体涉及具有声速自校准功能的外置式超声波液位计及其测量方法，利用超声波技术外置于储罐外部实现液位精确测量。

背景技术

目前，超声波技术应用比较广泛，通过对现有超声波液位计的比较，外置式超声波液位计测量安装方式简便，无需打开被测罐体，无需接触腐蚀性、有毒、粘稠性等被测介质，真正实现非接触式测量，且超声波在液体介质中传播干扰较小，可以满足更多场合的应用需求。超声波液位计测量原理简单，影响其测量精度的主要因素是液位计算中的参考声速值，声速值与被测介质、温度、压力等因素有关，复杂而不断变化的工况直接影响参考声速的测量，进而导致液位测量精度不高。针对目前大多数超声波液位计测量精度不高，对一些要求较高的应用无法满足，测量精度达不到1mm量级，究其原因，主要还是超声波液位计的参考声速测量误差较大，间接导致液位测量精度不高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供具有声速自校准功能的外置式超声波液位计及其测量方法，利用温度补偿和参考声速方法来不断自校准工况变化的声速值，利用时间增益方法实现回波信号的准确检测，从而更加精确的实现液位测量，使得液位测量精度达到1mm量级。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：具有声速自校准功能的外置式超声波液位计，包括DSP处理器与OLED显示屏相连，DSP处理器与温度传感器相连，温度传感器与被测储罐相连，DSP处理器与超声波驱动接收模块相连，超声波驱动接收模块通过超声波换能器与被测储罐相连。

所述的超声波换能器的数量有两个，分别通过屏蔽线连接DSP处理器的自校准端子和测量端子，超声波换能器外贴于储罐罐壁上，与自校准端子连接的超声波换能器为自校准探头，与测量端子连接的超声波换能器为测量探头。

所述的DSP处理器采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F2812，DSP处理器的时钟工作频率为150MHz。

所述的温度传感器的型号为DS18B20。

利用具有声速自校准功能的外置式超声波液位计测量储罐液位的方法，包括以下步骤：

1)将超声波换能器的测量探头和自校准探头分别垂直紧贴在被测罐体的罐底和罐壁上；

2)启动超声波液位计的DSP处理器，液位计进入双探头测量模式，当被测液面高于自校准探头安装位置时(工况1)，利用自校准探头直接进行参考声速校准，其校准参考声速d为已知校准距离，t为DSP计算出校准距离d的超声波传播往返时间，当被测液面低于自校准探头安装位置时，利用温度传感器和工况1时自动内建的温度声速数据表进行间接参考声速校准；

3)在声速校准成功后，获得当前参考声速v′,根据实际超声波发射信号的AD采集数据，通过数字信号处理和软件算法计算出检测盲区对应的超声波传播往返时间t′，DSP处理器根据公式s′＝v′×t′/2计算出超声波液位计的实际盲区值s′，该实际盲区值用来判别液位计是否进入盲区内，同时也可以提示用户参数设置是否合理；

4)DSP处理器的ADC模块采集测量探头发射和接收的超声波信号，获得被测介质液面高度的回波数据，根据软件算法，计算出超声波往返传播时间t；

5)DSP处理器利用自校准探头测量得到参考声速v，用公式l＝v×t/2计算出被测介质当前液面的高度，式中，l为被测介质当前液面的高度值，v为参考声速，t为超声波传播往返时间；

6)液位测量结果通过DSP处理器的数字滤波、均值处理和液面线性变化等算法后，针对罐体进出液造成的干扰，DSP软件内部对测量结果最后进行液位稳定性处理，保证测量结果稳定和准确；

7)更新OLED屏液位显示结果和4～20mA输出，将最新液位值保存在FLASH中，便于后续软件算法引用。

本发明的有益效果是：

本发明采用具有声速自校准功能的外置式超声波液位计实现储罐液位更加精确的测量，经实际安装生产检验，采用液介式安装测量方式，即可有效减小环境干扰，又可以根据实际工况，更改超声波发射频率和时间增益，使得液位计工作在最佳测量状态。同时，硬件处理器选择TI公司生产的DSP处理器的芯片TMS320F2812，由DSP处理器产生的高频脉冲串通过场效应管、变压器等超声波驱动电路放大处理，经超声波换能器发射，超声波通过罐壁进入被测介质，在介质分界面发生反射，部分反射的超声波信号通过测量探头接收，经带通滤波、放大电路、时间增益等电路处理接收，处理后的回波信号经过DSP的ADC模块采样量化，得到超声波的采样数据，通过软件回波处理、数字滤波、均值处理和线性算法等计算处理，计算出被测介质的液位高度，DSP处理器将测量结果输出到OLED屏显示，并将结果保存在内部FLASH中，方便下次软件算法引用，同时更新液位计4～20mA输出值。

在进行回波信号处理时，由于回波信号较弱，易受干扰和误判，本发明采用先进的时间增益调节方法，使得测量的回波信号得到良好的放大处理，再通过上述软件算法，实现回波信号的准确判断和时间计算，使得软件算法中的时间t更加准确，误差更小。同时，当被测介质液面高于自校准探头安装高度时，通过自校准探头直接进行间断性的参考声速校准，同时，通过温度传感器DS18B20和自校准探头，DSP处理器不断建立和修订温度与当前温度下校准参考声速的对应数据表。当被测介质液面高度低于自校准探头安装位置时，自校准探头测量的参考声速无效，超声波液位计利用温度传感器DS18B20监测的当前温度值，通过查询之前的温度与参考声速数据表，得到较为接近当前温度下的参考声速v，使得软件算法中的参考声速更加接近实际声速值，进而结合之前计算的时间t，计算出被测介质的液面高度l。这两种方法结合使用，使得本发明产品测量精度真正达到1mm量级，从而满足精度要求更高的场合，并且安装简便、应用范围更广。尤其在工业现场液氨介质液面测量中，超声波声速随环境温度变化较大，采用本发明产品进行液位测量，使得测量结果更加准确，测量精度更高。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图。

图2为本发明的超声波液位计安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1、2，具有声速自校准功能的外置式超声波液位计，包括DSP处理器1与OLED显示屏2相连，DSP处理器1与温度传感器3相连，温度传感器3与被测储罐相连，DSP处理器1与超声波驱动接收模块4相连，超声波驱动接收模块4通过超声波换能器5与被测储罐相连。

所述的超声波换能器5的数量有两个，一个是进行超声波发送和接收的测量探头，另一个是进行参考声速自校准的校准探头。本发明采用液介式安装测量方式，即可有效减小环境干扰，又可以根据实际工况，修改超声波发射频率和时间增益参数，使得液位计工作在最佳测量状态。同时，硬件处理器选择TI公司生产的DSP处理器的芯片TMS320F2812，由DSP处理器1产生的高频脉冲串通过场效应管、变压器放大等超声波驱动电路，经超声波换能器发射，超声波通过罐壁进入被测介质，在介质分界面发生反射，部分反射的超声波信号通过测量探头接收，经带通滤波、放大电路处理、时间增益处理，回波信号经DSP处理器的ADC模块采样量化，得到超声波的采样数据，通过软件回波处理、数字滤波、均值处理和线性算法等计算处理，计算出被测介质的液位高度，DSP处理器将测量结果输出到OLED屏显示，并将结果保存在内部FLASH中，方便下次软件算法引用。

在进行回波信号处理时，由于回波信号较弱，易受干扰和误判，本发明采用先进的时间增益调节方法，使得测量的回波信号得到良好的放大处理，再通过上述软件算法，实现回波信号的准确判断和时间计算，使得软件算法中的时间t更加准确，误差更小。同时，当被测介质液面高于自校准探头安装高度时，超声波液位计利用自校准探头直接进行参考声速校准，同时，DSP处理器通过温度传感器DS18B20和自校准探头，建立和修订温度与当前温度下校准参考声速的对应数据表。当被测介质液面高度低于自校准探头安装位置时，自校准探头测量的参考声速无效，超声波液位计利用温度传感器DS18B20监测的当前温度值，通过查询之前的温度与参考声速数据表，得到较为接近当前温度下的参考声速v，使得软件算法中的参考声速更加接近实际声速值，进而结合之前计算的时间t，计算出被测介质的液面高度。这两种方法结合使用，使得本发明产品测量精度真正达到1mm量级，从而满足精度要求更高的场合，并且安装简便、应用范围更广。尤其在工业现场液氨介质液面测量中，超声波声速随环境温度变化较大，采用本发明产品进行液位测量，使得测量结果更加准确，测量精度更高。

超声波换能器采用公司自主研发生产的换能器，经过测试其工作性能稳定，与DSP处理器具有较好的阻抗匹配和较高的信噪比，满足实际测量需要。将该换能器外贴于储罐底部或侧面，发射的超声波经过罐壁进入被测液体介质，从而实现非接触式测量，其实际测量的介质多达二十几种。该换能器发射的脉冲信号通过变压器放大输出，其脉冲幅值范围为300V～1000V，且该输出幅值可通过拨码开关进行调节。同时，通过修改DSP处理器电路板中回波信号接收电路，可适应不同的超声波发射中心频率，现有的发射频率范围为140kHz～600kHz。

由于DSP处理器的高速处理功能，其时钟工作频率为150MHz时，相当于机器周期为6.67ns，因此可以实时处理大量的AD采集数据，通过软件内部的时间增益处理、回波处理、数字滤波、低通均值算法、线性算法等方法处理后，计算出当前被测介质的液位高度，并实时更新当前液位值。

本发明采用两种方法进行声速自校准，一种是当介质液面高于自校准探头安装高度时，利用自校准探头直接进行不断的声速实测，利用该实测声速作为液位值计算的参考声速，其校准参考声速d为已知校准距离，t为DSP处理器计算出校准距离d的超声波传播往返时间；另一种方法是当介质液面低于校准探头安装高度时，利用DS18B20单线温度采集芯片测量当前温度值，DSP处理器通过查询内部建立的温度与参考声速数据表，把与当前温度接近的参考声速作为软件计算处理的声速值。通过这种方法获得的参考声速，其更接近当前工况的实际声速，使得本发明产品测量的液位值更加准确、精度更高。

超声波液位计最大优势不但实现非接触式测量，而且具有声速自校准功能，从而提高了产品的测量精度，利用DSP处理器强大的高速处理功能，液位计集成了很多功能，使得实际应用更加简便、智能化。

本发明的工作原理:利用DSP处理器产生130kHz～600kHz范围内某一频率的方波脉冲串，经过安装在储罐底部的超声波换能器发出超声波，超声波通过罐壁进入被测介质并在介质液体和空气分界面发生反射，反射部分的超声波信号经换能器接收，通过DSP控制的时间增益放大电路放大处理，由DSP处理器的ADC模块采集量化处理，回波处理、数字滤波和线性变换等软件算法处理后，准确找出回波的位置，计算出超声波传播往返时间，利用自校准探头获得被测介质的参考声速值，从而计算出被测储罐的液位值。

利用具有声速自校准功能的外置式超声波液位计测量储罐液位的方法及实例，包括以下步骤：

1)将超声波换能器的测量探头和自校准探头分别垂直紧贴在被测储水立罐的罐底和罐壁上，自校准探头距离罐底测量探头50cm，被测储水罐为1m×1m×3m的立罐，此时水面相对罐底的实际高度为2.014m；

2)启动超声波液位计的DSP处理器，液位计进入双探头模式，此时被测介质液面高度高于自校准探头安装位置高度，DSP处理器利用自校准探头直接进行参考声速校准，其校准参考声速v＝1485m/s，计算公式为已知校准距离d为1m，DSP计算出校准距离1m的超声波传播往返时间t为1347us；

3)声速校准成功后，测得当前水中参考声速v′为1485m/s，根据实际超声波发射信号的AD采集数据，通过数字信号处理和软件计算得到检测盲区值对应的往返时间t′为364us，从而DSP处理器计算出超声波液位计的实际盲区值s′为0.27m，计算公式为s′＝v′×t′/2，该实际盲区值用来判别测量液位值是否进入盲区内，同时，提示用户仪表参数设置是否合理；

4)DSP处理器的ADC模块采集测量探头发射和接收的超声波数据，获得被测介质液面的回波数据，根据软件算法计算出超声波往返传播时间t为2712us；

5)根据DSP处理器的自校准探头，测量得到参考声速v为1485m/s，计算出被测介质当前液面的高度l为2.014m，液位值计算公式为l＝v×t/2，式中，l被测介质当前液面的高度值，v为参考声速，t为超声波往返传播时间；

6)测量结果通过DSP处理器的软件数字滤波、均值处理和液面线性变化等算法处理，针对罐体进出液造成的干扰，软件内部对测量的液位值进行稳定性处理；

7)更新OLED屏显示的液位值，显示最新液位值为2.014，单位为m，完成一次有效的液位测量，同时将液位值保存在FLASH中。

以上所述，仅是本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域内的技术人员在本发明披露的技术范围内，通过简单的推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.具有声速自校准功能的外置式超声波液位计，其特征在于，包括DSP处理器(1)与OLED显示屏(2)相连，DSP处理器(1)与温度传感器(3)相连，温度传感器(3)与被测储罐相连，DSP处理器(1)与超声波驱动接收模块(4)相连，超声波驱动接收模块(4)通过超声波换能器(5)与被测储罐相连。

2.根据权利要求1所述的具有声速自校准功能的外置式超声波液位计，其特征在于，所述的超声波换能器(5)的数量有两个，分别通过屏蔽线连接DSP处理器(1)的自校准端子和测量端子，超声波换能器外贴于储罐罐壁上，与自校准端子连接的超声波换能器为自校准探头，与测量端子连接的超声波换能器为测量探头。

3.根据权利要求1所述的具有声速自校准功能的外置式超声波液位计，其特征在于，所述的DSP处理器(1)采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F2812，所述的DSP处理器(1)的时钟工作频率为150MHz。

4.根据权利要求1所述的具有声速自校准功能的外置式超声波液位计，所述的温度传感器(3)的型号为DS18B20。

5.利用具有声速自校准功能的外置式超声波液位计测量储罐液位的方法，包括以下步骤：

1)将超声波换能器的测量探头和自校准探头分别垂直紧贴在被测罐体的罐底和罐壁上；

2)启动超声波液位计的DSP处理器，液位计进入双探头测量模式，当被测液面高于自校准探头安装位置时(工况1)，利用自校准探头直接进行参考声速校准，其校准参考声速d为已知校准距离，t为DSP计算出校准距离d的超声波传播往返时间，当被测液面低于自校准探头安装位置时，利用温度传感器和工况1时自动内建的温度声速数据表进行间接参考声速校准；

3)在声速校准成功后，获得当前参考声速v′,根据实际超声波发射信号的AD采集数据，通过数字信号处理和软件算法计算出检测盲区对应的超声波传播往返时间t′，DSP处理器根据公式s′＝v′×t′/2计算出超声波液位计的实际盲区值s′，该实际盲区值用来判别液位计是否进入盲区内；

4)DSP处理器的ADC模块采集测量探头发射和接收的超声波信号，获得被测介质液面高度的回波数据，根据软件算法，计算出超声波往返传播时间t；

5)DSP处理器利用自校准探头测量得到参考声速v，用公式l＝v×t/2计算出被测介质当前液面的高度，式中，l为被测介质当前液面的高度值，v为参考声速，t为超声波传播往返时间；

6)液位测量结果通过DSP处理器的数字滤波、均值处理和液面线性变化等算法后，针对罐体进出液造成的干扰，DSP软件内部对测量结果最后进行液位稳定性处理，保证测量结果稳定和准确；

7)更新OLED屏液位显示结果和4～20mA输出，将最新液位值保存在FLASH中，便于后续软件算法引用。