CN104061980A - 管状多点反馈式液位测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管状多点反馈式液位测量装置及其测量方法，该装置包括：导波管、声波收发器、数据采集及控制器和多个信息反馈环；声波收发器和数据采集及控制器都固定在导波管的其中一端；声波收发器电连接数据采集及控制器；导波管的内壁按预设间距固定有多个信息反馈环；声波收发器用于当接收到测量开启指令时发出声波信号、接收信息反馈环返回的声波，并检测信息反馈环的回波时间、接收被测液面返回的声波，并检测被测液面的回波时间；数据采集及控制器用于根据信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出导波管内的声速，再根据声速及所述被测液面的回波时间计算被测液体的液位。本装置结构简单、成本低；其测量方法结果精度高。

Description

管状多点反馈式液位测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及液位测量技术领域，特别是涉及一种管状多点反馈式液位测量装置，以及一种管状多点反馈式液位测量装置的测量方法。

背景技术

液位的有效测量，对工农业生产、人民生活及防止自然灾害发生具有非常重要的意义。目前，各防汛部门使用的液位遥测站，一般都使用浮子式液位计或压力式液位计；浮子式液位计需要一个能消波的测井，但其测量时，需建立一个测井，测量过程复杂，投资较大，成本非常高；压力式液位计在测量时容易随液体漂移，其测量的精度较低。

发明内容

基于此，本发明提供一种管状多点反馈式液位测量装置，该装置结构简单、成本较低。

本发明还提供一种管状多点反馈式液位测量装置的测量方法，该测量方法测量过程快速简单，测量结果精度高。

一种管状多点反馈式液位测量装置，包括：导波管、声波收发器、数据采集及控制器和多个信息反馈环；

所述声波收发器和数据采集及控制器都固定在所述导波管的其中一端；所述声波收发器电连接所述数据采集及控制器；

所述导波管的内壁按预设间距固定有多个所述信息反馈环；

所述声波收发器用于当接收到测量开启指令时发出声波信号、接收所述信息反馈环返回的声波，并检测信息反馈环的回波时间、接收被测液面返回的声波，并检测被测液面的回波时间；

所述数据采集及控制器用于根据所述信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出所述导波管内的声速，再根据所述声速及所述被测液面的回波时间计算被测液体的液位。

一种管状多点反馈式液位测量装置的测量方法，包括如下步骤：

将所述导波管竖直插入到被测液体的底部，其中，固定在所述导波管一端的声波收发器和数据采集及控制器在被测液体的液面之上；

所述声波收发器在接收到测量开启指令时发出声波信号；

所述声波收发器接收所述信息反馈环返回的声波，并检测信息反馈环的回波时间；

所述声波收发器接收被测液面返回的声波，并检测被测液面的回波时间；

所述数据采集及控制器根据所述信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出所述导波管内的声速，再根据所述声速及所述被测液面的回波时间计算被测液体的液位。

本发明管状多点反馈式液位测量装置，通过声波收发器发出声波信号，再接收信息反馈环及被测液面的回波，获得回波时间，数据采集及控制器根据最靠近被测液面的两个信号反馈环的回波时间，计算出导波管内的声速，再根据声速计算出最靠近被测液面的信号反馈环与被测液面的距离，从而得出液位。该装置结构简单并且成本较低，利用该测量装置采用本发明的测量方法进行液位测量时，其测量过程简单、测量结果精度高、稳定性好、分辨率高，并且可靠性好。

附图说明

图1为本发明管状多点反馈式液位测量装置在一实施例中的结构示意图。

图2为本发明管状多点反馈式液位测量装置系统在一实施例中的测量过程示意图。

图3为本发明管状多点反馈式液位测量装置系统在一实施例中的数据采集及控制器的结构示意图。

图4为本发明管状多点反馈式液位测量装置的测量方法在一实施例中的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，是本发明管状多点反馈式液位测量装置在一实施例中的结构示意图，包括：导波管10、声波收发器20、数据采集及控制器30和多个信息反馈环(401至405)；

所述声波收发器20和数据采集及控制器30都固定在所述导波管10的其中一端；所述声波收发器20电连接所述数据采集及控制器30；

导波管10的长度，需根据被测液体的深度而确定；导波管10的一端固定有声波收发器20和数据采集及控制器20，则另一端在测量时插入到被测液体的底部，使导波管10能竖直固定在被测液体上，导波管10的长度大于被测液体的液位。

所述导波管10的内壁按预设间距固定有多个所述信息反馈环(401至405)；信息反馈环用于返回声波信号，可为金属材质的反馈环；信息反馈环的个数及各个反馈环在导波管10内壁的设置间距可根据实际需要而选择，反馈环的个数越多、设置间距越小，则可使测量结果更为精确；在固定好信息反馈环后，则可根据导波管10的管体长度，预先确定各个信息反馈环的编号、固定位置及间距等信息。

所述声波收发器20用于：当接收到测量开启指令时发出声波信号；接收所述信息反馈环返回的声波，并检测信息反馈环的回波时间；接收被测液面返回的声波，并检测被测液面的回波时间；

所述数据采集及控制器30用于根据所述信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出所述导波管10内的声速，再根据所述声速及所述被测液面的回波时间计算被测液体的液位。

在一较佳实施例中，所述数据采集及控制器30还可用于计算被测液体的液位：

$L=L1-L3-V\·\frac{(T3-T2)}{2};$

其中，L为所述液位，L1为预设的导波管的管体长度，L3为所述声波收发器与第二信息反馈环的距离，V为所述声速，L4为第一信息反馈环与所述第二信息反馈环的距离，T1为第一信息反馈环的回波时间，T2为所述第二信息反馈环的回波时间，T3为所述被测液面的回波时间；其中，所述第一信息反馈环和所述第二信息反馈环为在被测液面以上的与被测液面距离最近的两个信息反馈环，第一信息反馈环与被测液面的距离大于第二信息反馈环与被测液面的距离。

本实施例中，声波在空气中传播的时间与声波从发出点到被测液面的距离成正比的关系：L＝V*T/2；

式中，L为声波发出位置到被测液面的距离；V是当前声波在空气中传播的速度；T为声波在空气中传播的时间；

本发明管状多点反馈式液位测量装置测量液位量程较大，可达100米，声波传播的距离较远，声波在不同位置时其传播速度不一致，若采用相同的声速进行计算，将影响测量精度，因此本实施例中采用固定多个信号反馈环的方式测得回波时间，进而得出当前的速度，取距离被测液面最近的那一段量程的声速速度用于液位的计算。

当进行液位测量时，所述导波管10的一端插入被测液体的底部，使导波管10竖直固定；声波收发器20发出预设的单一频率的声波信号，声波信号在导波管10内部传播到所测被测液面的过程中，会接触到多个信息反馈环并产生回波，声波收发器20同时接收返回的声波，包括被测液面返回的声波，以及各个信息反馈环返回的声波，并检测出各个声波的回波时间。

如图2所示，是管状多点反馈式液位测量装置的测量过程示意图，导波管10的管长为L1，声波收发器20所在的水平位置设为测量基准点，其与被测液面的距离为L2，则液位L＝L1-L2；

本实施例中需利用与被测液面最接近的两个信息反馈环测出声速；如图2中所示，在被测液面以上的与被测液面距离最近的两个信息反馈环为第一信息反馈环403和第二信息反馈环404，第一信息反馈环403与被测液面的距离大于第二信息反馈环404与被测液面T3的距离；

声波收发器20与第二信息反馈环404的距离为L3，可由第二信息反馈环404在导波管10内的固定位置而预先测量得到；第一信息反馈环403与第二信息反馈环404之间的距离为L4，声波在第一信息反馈环403与第二信息反馈环404的传播速度为V；

第二信息反馈环404与被测液面的距离为L5，则有L2＝L3+L5；

在本实施例中，L1为预设的导波管10的管长，每个信号反馈环之间的距离也是已知的，则L3、L4也是已知数，需要测定的是第二信息反馈环404与被测液面T3的距离L5。

被测液面T3的回波时间为T3，第一信号反馈环403的回波时间为T1，第二信号反馈环404的回波时间为T2；

由于声速因此最后代入公式L＝L1-L3-L5，从而计算得出液位 $L=L1-L3-L4\·\frac{(T3-T2)}{(T2-T1)}.$

在一较佳实施例中，各个所述信息反馈环之间的间距相等，在进行液位测量时可更加简便地测定信息反馈环与被测液面的距离。

在一较佳实施例中，所述声波收发器20发出声波信号为预设频率的声波信号，在接收回波时接收该频率的回波信号，以防止其他声波信号的干扰，提高测量精度。

在一较佳实施例中，如图3所示，是数据采集及控制器30的结构示意图，可包括主控单元31、电源管理控制单元32、信号控制及采集处理单元33、数据存储单元34和通讯单元35；

所述主控单元31分别与所述电源管理控制单元32、信号控制及采集处理单元33、数据存储单元34和通讯单元35连接，所述信号控制及采集处理单元33与所述声波收发器20连接；

所述信号控制及采集处理单元33用于接收所述主控单元31的控制指令，控制所述声波收发器20的开启或关闭，以及用于接收所述声波收发器20发送的数据并传输到主控单元；所述主控单元31用于根据所述声波收发器20发送的数据计算所述液位；所述数据存储单元34用于存储所述液位，以及预先设置的所述导波管的管体长度以及所述各个信息反馈环的固定位置；所述电源管理控制单元34用于供电；所述主控单元31还用于通过所述通讯单元35连接至远程监控系统。

如图4所示，本发明还提供一种管状多点反馈式液位测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S41、将所述导波管竖直插入到被测液体的底部，其中，固定在所述导波管一端的声波收发器和数据采集及控制器在被测液体的液面之上；

S42、所述声波收发器在接收到测量开启指令时发出声波信号；

S43、所述声波收发器接收所述信息反馈环返回的声波，并检测信息反馈环的回波时间；

S44、所述声波收发器接收被测液面返回的声波，并检测被测液面的回波时间；

S45、所述数据采集及控制器根据所述信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出所述导波管内的声速，再根据所述声速及所述被测液面的回波时间计算被测液体的液位；

在一较佳实施例中，步骤S45可为：

根据公式计算被测液体的液位：

其中，L为所述液位，L1为预设的导波管的管体长度，L3为所述声波收发器与第二信息反馈环的距离，V为所述声速，L4为第一信息反馈环与所述第二信息反馈环的距离，T1为第一信息反馈环的回波时间，T2为所述第二信息反馈环的回波时间，T3为所述被测液面的回波时间；其中，所述第一信息反馈环和所述第二信息反馈环为在被测液面以上的与被测液面距离最近的两个信息反馈环，第一信息反馈环与被测液面的距离大于第二信息反馈环与被测液面的距离。

本发明管状多点反馈式液位测量装置，通过声波收发器发出声波信号，再接收信息反馈环及被测液面的回波，获得回波时间，数据采集及控制器根据最靠近被测液面的两个信号反馈环的回波时间，计算出导波管内的声速，再根据声速计算出最靠近被测液面的信号反馈环与被测液面的距离，从而得出液位。该装置结构简单并且成本较低，利用该测量装置采用本发明的测量方法进行液位测量时，其测量过程简单、测量结果精度高、稳定性好、分辨率高，并且可靠性好。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种管状多点反馈式液位测量装置，其特征在于，包括：导波管、声波收发器、数据采集及控制器和多个信息反馈环；

所述声波收发器和数据采集及控制器都固定在所述导波管的其中一端；所述声波收发器电连接所述数据采集及控制器；

所述导波管的内壁按预设间距固定有多个所述信息反馈环；

所述声波收发器用于当接收到测量开启指令时发出声波信号、接收所述信息反馈环返回的声波，并检测信息反馈环的回波时间、接收被测液面返回的声波，并检测被测液面的回波时间；

所述数据采集及控制器用于根据所述信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出所述导波管内的声速，再根据所述声速及所述被测液面的回波时间计算被测液体的液位。

2.根据权利要求1所述的管状多点反馈式液位测量装置，其特征在于，所述数据采集及控制器还用于：

计算被测液体的液位： $L=L1-L3-V\·\frac{(T3-T2)}{2};$

其中，L为所述液位，L1为预设的导波管的管体长度，L3为所述声波收发器与第二信息反馈环的距离，V为所述声速，L4为第一信息反馈环与所述第二信息反馈环的距离，T1为第一信息反馈环的回波时间，T2为所述第二信息反馈环的回波时间，T3为所述被测液面的回波时间；其中，所述第一信息反馈环和所述第二信息反馈环为在被测液面以上的与被测液面距离最近的两个信息反馈环，第一信息反馈环与被测液面的距离大于第二信息反馈环与被测液面的距离。

3.根据权利要求1所述的管状多点反馈式液位测量装置，其特征在于，所述声波收发器还用于发出预设频率的声波信号。

4.根据权利要求1所述的管状多点反馈式液位测量装置，其特征在于，所述导波管的管体长度大于所述被测液体的液位。

5.根据权利要求1所述的管状多点反馈式液位测量装置，其特征在于，各个所述信息反馈环之间的间距相等。

6.根据权利要求2所述的管状多点反馈式液位测量装置，其特征在于，所述数据采集及控制器包括主控单元、电源管理控制单元、信号控制及采集处理单元、数据存储单元和通讯单元；

所述主控单元分别与所述电源管理控制单元、信号控制及采集处理单元、数据存储单元和通讯单元连接，所述信号控制及采集处理单元与所述声波收发器连接；

所述信号控制及采集处理单元用于接收所述主控单元的控制指令，控制所述声波收发器的开启或关闭，以及用于接收所述声波收发器发送的数据并传输到主控单元；所述主控单元用于根据所述声波收发器发送的数据计算所述液位；所述数据存储单元用于存储所述液位，以及存储预先设置的所述导波管的管体长度以及所述各个信息反馈环的固定位置；所述电源管理控制单元用于供电；所述主控单元还用于通过所述通讯单元连接至远程监控系统。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的管状多点反馈式液位测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述导波管竖直插入到被测液体的底部，其中，固定在所述导波管一端的声波收发器和数据采集及控制器在被测液体的液面之上；

所述声波收发器在接收到测量开启指令时发出声波信号；

所述声波收发器接收所述信息反馈环返回的声波，并检测信息反馈环的回波时间；

所述声波收发器接收被测液面返回的声波，并检测被测液面的回波时间；

所述数据采集及控制器根据所述信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出所述导波管内的声速，再根据所述声速及所述被测液面的回波时间计算被测液体的液位。

8.根据权利要求7所述的管状多点反馈式液位测量装置的测量方法，其特征在于，所述数据采集及控制器根据所述信息反馈环的回波时间及预设的信息反馈环的固定位置计算出所述导波管内的声速，再根据所述声速及被测液面的回波时间计算被测液体的液位的步骤为：

计算被测液体的液位：

$L=L1-L3-V\·\frac{(T3-T2)}{2};$

其中，L为所述液位，L1为预设的导波管的管体长度，L3为所述声波收发器与第二信息反馈环的距离，V为所述声速，L4为第一信息反馈环与所述第二信息反馈环的距离，T1为第一信息反馈环的回波时间，T2为所述第二信息反馈环的回波时间，T3为所述被测液面的回波时间；其中，所述第一信息反馈环和所述第二信息反馈环为在被测液面以上的与被测液面距离最近的两个信息反馈环，第一信息反馈环与被测液面的距离大于第二信息反馈环与被测液面的距离。