CN103926018B - 一种液体温度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种液体温度测量装置及方法，所述装置包括：声波检测模块，用于采集多种声波信号；声波转换模块，用于将多种声波信号转换为多种数字波形信号；声波处理模块，用于根据接收的多种数字波形信号计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率；噪声消除模块，用于滤除预定频率范围外的噪声信号；声波分析模块，用于接收预定频率范围内的多个数字波形信号和与之一一对应的频率，并计算得到多个数字波形信号的振幅；声波比对模块，用于将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到实时温度。以被测液体作为声源，不需要除被测液体之外的第二方作为声源产生声波；不需要利用热传递原理，因而不存在热量损失，测量具有实时性，并且测量结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及液体温度测量技术，特别是涉及一种通过声波的液体温度测量装置及方法。
背景技术
目前，测量物体温度的方法主要有以下几种：第一种是利用感温元件如温度传感器直接与被测物体接触，通过热传递方式测量物体温度，这种方式也被称为接触式测温；第二种是非接触式测温，利用红外辐射方式测量物体温度，红外辐射测温原理在于：任何物体的温度如果超过绝对零度都会不断地向周围空间发出红外辐射能量，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。
除此之外，在申请号为200710175593.5，发明名称为“一种用声波测量温度的装置及其方法”的专利文件中，还公开了如下测量介质温度的技术方案：利用发射传感器将电信号转换成声波信号并发射，声波信号穿过被测介质，接受传感器接收穿过被测介质后的声波信号，并将声波信号转换成电信号，时间测量单元通过测量发射传感器中的电信号和接受传感器中的电信号的时间差测量声波传输时间，数据处理单元通过声波传输时间计算声速，然后通过声速计算被测介质的温度。
利用感温元件直接与被测物体接触，测量被接触物体的温度时，热量传递需要花费一定的时间，并且存在热量的损失，导致测温响应慢，并且准确度不高。
申请号200710175593.5的专利中，需要利用除被测物体之外的第二方发射传感器作为声源，先产生声波，再让声波经过被测物体，根据时间差测量物体温度，是一种被动式测量方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中测量液体温存在热量损失且多为被动式测量的情况，提供一种主动式的液体温度测量装置及方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种液体温度测量装置，所述装置包括：
声波检测模块，用于采集多种声波信号，并输出声波信号至声波转换模块；
声波转换模块，用于将多种声波信号转换为多种数字波形信号，并输出至声波处理模块；
声波处理模块，用于根据接收的多种数字波形信号，计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率，并输出计算结果和数字波形信号至噪声消除模块，多个数字波形信号的频率对应于转换前多个声波信号的频率；
噪声消除模块，用于滤除预定频率范围外的噪声信号，并输出预定频率范围内的多个数字波形信号及各个数字波形信号的频率至声波分析模块；
声波分析模块，用于接收处于预定频率范围内的多个数字波形信号和与之一一对应的频率，并计算得到多个数字波形信号的振幅；
声波比对模块，用于将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到被测液体的实时温度。
所述装置还包括温度输出模块，用于显示声波比对模块得到的被测液体的实时温度。
所述装置还包括声波放大模块，用于将声波检测模块采集的声波信号进行放大处理，并将放大后的声波信号输出至声波转换模块。
所述多种声波信号包括噪声信号和作为声源的被测液体在预定温度范围内产生的子声波信号。
所述声波检测模块由声音传感器组成，声音传感器包括两块金属极板，一极板表面涂有驻极体薄膜，驻极体薄膜接地，另一极板接场效应晶体管的栅极上，栅极与源极之间接一个二极管。
所述声波转换模块为AD转换器。
所述噪声消除模块为滤波器。
一种采用上述液体温度测量装置检测液体温度的方法，包括如下步骤：
S1.声波检测模块采集多种声波信号，并输出声波信号至声波转换模块；
S2.声波转换模块将多种声波信号转换为多种数字波形信号，并输出至声波处理模块；
S3.声波处理模块根据接收的多种数字波形信号，计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率，并输出计算结果和数字波形信号至噪声消除模块，多个数字波形信号的频率对应于转换前多个声波信号的频率；
S4.噪声消除模块滤除预定频率范围外的噪声信号，并输出预定频率范围内的多个数字波形信号及各个数字波形信号的频率至声波分析模块；
S5.声波分析模块接收处于预定频率范围内的多个数字波形信号和与之一一对应的频率，并计算得到多个数字波形信号的振幅；
S6.声波比对模块将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到被测液体的实时温度。
所述步骤S6之后还包括步骤S7：温度输出模块显示声波比对模块得到的被测液体的实时温度。
所述步骤S1之后S2之前还包括步骤S0：声波放大模块将声波检测模块采集的声波信号进行放大处理，并将放大后的声波信号输出至声波转换模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：以被测液体作为声源，不需要除被测液体之外的第二方作为声源产生声波；不需要利用热传递原理，因而不存在热量损失，测量具有实时性，并且测量结果准确。
附图说明
图1为本发明的原理结构框图一；
图2为本发明的原理结构框图二；
图3为本发明的方法流程图。
具体实施方式
众所周知，声音是由物体的振动产生，正在发声的物体叫声源，声音以波的形式传播，声音是声波通过任何物质传播形成的运动。声音作为波的一种，频率和振幅是描述波的重要属性，声波频率的大小与我们通常所说的音调对应，音调指声音的高低（高音、低音），由声波的“频率”决定，频率越高音调越高，声波振幅的大小与我们通常所说的响度相对应，响度是指人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由声波的“振幅”和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越小，响度越大。
那么，对于温度在绝对零度以上的物体，物体自身的分子也都在不停的振动，处于微观世界的分子在振动的时候，同样会产生声波，产生的声波能够在空气中传播，这种声波人虽然无法听到，但是通过合适的声波采集装置，仍然可以实现声波的采集。
物体的温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度的反映。将声波和温度的产生根源进行比较，不难发现，二者存在密切的联系，都与物体自身分子的振动有关，分子振动越快，物体温度越高，声波的频率越大。也就是说，如果对采集的声波进行合理的分析，就能得到作为声源的物体所处的温度。
对于不同的液体，如果温度不同，发出的声音完全不同，例如：处于50摄氏度的水与处于100摄氏度的水发出的声音则完全不同，根据声音的不同，人们可以大致判断水是处于50摄氏度还是处于100摄氏度。这主要是因为，处于不同温度下的水，分子振动频率不同，分子振动时发出的声波属性自然而然也不相同，因而，人们可以根据煮水过程中听到的水声大致分辨水是否已经烧开，据此，只要能够准确的分析不同声波的属性，也可以很精确的得到发出不同声波的液体的温度。
根据以上原理，本发明提供一种通过声波测量液体温度的装置和方法，本发明中测量液体温度时，不需要除被测液体之外的第二方作为声源产生声波，直接以被测液体作为声源。
下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的技术特征及优点进行更深入的诠释。
如图1、2所示，一种液体温度测量装置，所述装置包括：
声波检测模块，用于采集多种声波信号，并输出声波信号至声波转换模块；声波信号包括噪声信号和作为声源的被测液体在预定温度范围内产生的子声波信号。其他介质如盛装被测液体用的物体其组成分子也在不停的振动，因而也会产生声波，它发出的声波信号即为噪音信号，声波检测模块须具有很高的灵敏度，可以是用于采集声波信号的高灵敏度声音传感器。声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风），一般是用来采集声波信号的声压，它有两块金属极板，其中一块表面涂有驻极体薄膜并将其接地，另一极板接在场效应晶体管的栅极上，栅极与源极之间接有一个二极管，当受到振动或受到气流的摩擦时，由于振动使两极板间的距离改变，即电容改变，而电量不变，就会引起电压的变化，电压变化的大小，反映了声波信号声压的强弱，电压变化的频率反映了声波信号的频率。
声波转换模块，用于将多种声波信号转换为多种数字波形信号，并输出至声波处理模块。作为优选，声波转换模块为AD转换器，但并不限于AD转换器。
声波处理模块，根据接收的多种数字波形信号，计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率，并输出计算结果和数字波形信号至噪声消除模块，多个数字波形信号的频率对应于转换前多个声波信号的频率。
噪声消除模块，用于滤除预定频率范围外的噪声信号，并输出预定频率范围内的多个数字波形信号及各个数字波形信号的频率至声波分析模块。预定频率范围内的多个数字波形信号与转换前预定频率范围内的多个声波信号是一一对应的关系，而预定频率范围内的多个声波信号则为作为声源的被测液体在预定温度范围内产生的多个不同的子声波信号；作为优选，噪声消除模块可以选用滤波器，但并不限于滤波器，也可以用其他噪音消除过来装置。现举例说明如下：假设被测液体为水，则水为声源，预定温度范围假设为30摄氏度到100摄氏度，那么，预定频率范围内的声波信号则是指水从30摄氏度变化至100摄氏度过程中发出的多个不同子声波信号，多个子声波信号的频率范围则为预定频率范围，通常情况下，子声波信号的属性与被测液体的种类和温度都存在密切关系，被测液体的种类和温度不同时，子声波信号的频率不同，振幅也不同，被测液体处于不同的温度时，产生的子声波信号不同，因而会有多个不同的子声波信号，每一个子声波信号对应一个声波频率、振幅和液体温度。
声波分析模块，用于接收处于预定频率范围内的多个数字波形信号和与之一一对应的频率，并计算得到多个数字波形信号的振幅。
声波比对模块，用于将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到被测液体的实时温度。对应关系表是指作为声源的被测液体发出的声波频率、声波振幅和被测液体所处的不同温度的对应关系，如下表所示：
| 声波频率 | 声波振幅 | 被测液体温度 |
| f1 | A1 | t1 |
| f2 | A2 | t2 |
| f3 | A3 | t3 |
上述一种通过声波测量液体温度的装置可以安装在电磁炉中，当用电磁炉烧热水时，可以实时测量并显示水的温度，便于根据需要进行水的加热。
所述装置进一步还包括温度输出模块，用于显示声波比对模块得到的被测液体的实时温度，例如可以是LED显示屏或数码显示管。
所述装置进一步还包括声波放大模块，用于将声波检测模块采集的声波信号进行放大处理，并将放大后的声波信号输出至声波转换模块；声波转换模块将声波信号转换为数字波形信号。
本发明的方法流程图如图3所示，一种所述的液体温度测量装置的方法，所述方法步骤如下：
S1.声波检测模块采集多种声波信号，并输出声波信号至声波转换模块；
S2.声波转换模块将多种声波信号转换为多种数字波形信号，并输出至声波处理模块；
S3.声波处理模块根据接收的多种数字波形信号，计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率，并输出计算结果和数字波形信号至噪声消除模块，多个数字波形信号的频率对应于转换前多个声波信号的频率；
S4.噪声消除模块滤除预定频率范围外的噪声信号，并输出预定频率范围内的多个数字波形信号及各个数字波形信号的频率至声波分析模块；
S5.声波分析模块接收处于预定频率范围内的多个数字波形信号和与之一一对应的频率，并计算得到多个数字波形信号的振幅；
S6.声波比对模块将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到被测液体的实时温度。
所述步骤S6之后还包括步骤S7：温度输出模块显示声波比对模块得到的被测液体的实时温度。
所述步骤S1之后S2之前还包括步骤S0：声波放大模块将声波检测模块采集的声波信号进行放大处理，并将放大后的声波信号输出至声波转换模块。
通过以上实施例中的技术方案对本发明进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例为本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种液体温度测量装置，其特征在于，包括：
声波检测模块，用于采集多种声波信号，并输出声波信号至声波转换模块；
声波转换模块，用于将多种声波信号转换为多种数字波形信号，并输出至声波处理模块；
声波处理模块，用于根据接收的多种数字波形信号，计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率，并输出计算结果和数字波形信号至噪声消除模块，多个数字波形信号的频率对应于转换前多个声波信号的频率；
噪声消除模块，用于滤除预定频率范围外的噪声信号，并输出预定频率范围内的多个数字波形信号及各个数字波形信号的频率至声波分析模块；
声波分析模块，用于接收处于预定频率范围内的多个数字波形信号和与之一一对应的频率，并计算得到多个数字波形信号的振幅；
声波比对模块，用于将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到被测液体的实时温度。
2.根据权利要求1所述的液体温度测量装置，其特征在于：所述装置进一步包括温度输出模块，用于显示声波比对模块得到的被测液体的实时温度。
3.根据权利要求2所述的液体温度测量装置，其特征在于：所述装置进一步包括声波放大模块，用于将声波检测模块采集的声波信号进行放大处理，并将放大后的声波信号输出至声波转换模块。
4.根据权利要求3所述的液体温度测量装置，其特征在于：所述多种声波信号包括噪声信号和作为声源的被测液体在预定温度范围内产生的子声波信号。
5.根据权利要求1所述的液体温度测量装置，其特征在于：所述声波检测模块由声音传感器组成，声音传感器包括两块金属极板，一极板表面涂有驻极体薄膜，驻极体薄膜接地，另一极板接场效应晶体管的栅极上，栅极与源极之间接一个二极管。
6.根据权利要求1所述的液体温度测量装置，其特征在于：所述声波转换模块为AD转换器。
7.根据权利要求1所述的液体温度测量装置，其特征在于：所述噪声消除模块为滤波器。
8.一种采用如权利要求1-7中任一项所述的液体温度测量装置检测液体温度的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1.声波检测模块采集多种声波信号，并输出声波信号至声波转换模块；
S2.声波转换模块将多种声波信号转换为多种数字波形信号，并输出至声波处理模块；
S3.声波处理模块根据接收的多种数字波形信号，计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率，并输出计算结果和数字波形信号至噪声消除模块，多个数字波形信号的频率对应于转换前多个声波信号的频率；
S4.噪声消除模块滤除预定频率范围外的噪声信号，并输出预定频率范围内的多个数字波形信号及各个数字波形信号的频率至声波分析模块；
S5.声波分析模块接收处于预定频率范围内的多个数字波形信号和与之一一对应的频率，并计算得到多个数字波形信号的振幅；
S6.声波比对模块将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到被测液体的实时温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S6之后还包括步骤S7：温度输出模块显示声波比对模块得到的被测液体的实时温度。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S1之后S2之前还包括步骤SA：声波放大模块将声波检测模块采集的声波信号进行放大处理，并将放大后的声波信号输出至声波转换模块。
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