CN105181069B - 一种基于声波检测的容器内液体体积测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声波检测的容器内液体体积测量方法与装置，其中测量方法包括以下步骤：在容器内形成一腔体，腔体满足设置：处于该腔体内的声波仅能在腔体内传播；向腔体内发射声波；接收经腔体内壁与液面反射后的声波；基于反射后声波的衰减系数获得容器内液体的体积。本发明可以直接测量空间的体积，对容器的形状没有限制，因而可以适用于具有不规则腔体的容器，同时对液面的平整度以及容器的放置姿态要求较低，适用范围广；结构简单，体积小巧，将容器的密封与液量测量结合为一体，使用十分方便。

Description

一种基于声波检测的容器内液体体积测量方法与装置

技术领域

本发明涉及液体体积的检测领域，尤其是涉及一种液体体积的测量方法与装置。

背景技术

超声波液位测量技术在广泛应用于液体体积的测量，其基本原理为向液面发出超声波，然后接收反射后的声波，根据时间差与声速便可以得出声波行进的总路程，进而便可以得到液面的高度，之后通过该高度与容器横截面积求得液体的体积，然而这种方式在实际使用的过程中存在若干限制：1、因为是通过液面高度来间接获得液体体积，故要求容器的截面形状要保持一致，否则将会增加计算难度，甚至导致无法计算；2、超声波的方向性极强，故其对水面的平静程度以及超声波探头的安装方向和稳定性均有较高要求，当水面不平静或超声波探头发生形变和位移时，很难准确地测量水量。

基于上述不足，本发明提出了一种适用性强、精度高的测量方法与装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于声波检测的容器内液体体积测量方法，可以直接测量空间的体积，对容器的形状没有限制，因而可以适用于具有不规则腔体的容器，同时对液面的平整度以及容器的放置姿态要求较低，适用范围广；结构简单，体积小巧，将容器的密封与液量测量结合为一体，使用十分方便。

本发明提供一种基于声波检测的容器内液体体积测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于声波检测的容器内液体体积测量方法，包括以下步骤，

S10在容器内形成一腔体；

S20向腔体内发射声波；

S30接收经腔体内壁与液面反射后的声波；

S40基于反射后声波的衰减系数获得容器内液体的体积。

作为上述方案的进一步改进方式，腔体为一封闭的腔体。

作为上述方案的进一步改进方式，步骤S20中声波的发射持续时长与波长为一固定值。

作为上述方案的进一步改进方式，声波的发射持续时长大于10ms。

作为上述方案的进一步改进方式，声波的波长大于容器的高度，且小于10m。

作为上述方案的进一步改进方式，包括对接收的声波信号进行降噪处理的步骤。

作为上述方案的进一步改进方式，步骤S40中获得容器内液体的体积的方法为：

S41预先测试该固定时长与波长的声波在不同体积的腔体内反射后的衰减系数，形成数据库；

S42获得容器的容积；

S43根据步骤S30中声波的衰减系数与数据库获得腔体的体积；

S44容器容积与腔体体积之间的差值为待测液体的体积。

作为上述方案的进一步改进方式，衰减系数为声波的衰减速率。

作为上述方案的进一步改进方式，声波的发射在腔体形成之后间隔一段时间后开始进行。

作为上述方案的进一步改进方式，声波的接收在声波的发射后立即进行。

一种液体体积测量装置，用于检测存储于一腔体内的液体的体积，包括

作为承载结构的主体；

扬声器，其设于该主体上，用于向腔体内发射声波；

麦克风，其设于该主体上，用于接收经腔体内壁与液面反射后的声波；

控制系统，用于控制扬声器向腔体内发射声波、控制麦克风接收反射后的声波以及检测反射后声波的衰减系数，并基于容器容积与声波的衰减系数获得液体的体积。

作为上述方案的进一步改进方式，扬声器发射的声波具有固定的持续时长与波长，且控制系统内存储有数据库，数据库为该固定时长与波长的声波在不同体积的腔体内反射后的衰减系数的数据库。

作为上述方案的进一步改进方式，主体为一容器或一盖体。

作为上述方案的进一步改进方式，包括设于主体上的至少两处的导电片，其处于同一平面上，扬声器与麦克风在导电片之间导通后的一段时间后开始工作。

作为上述方案的进一步改进方式，包括设于主体上的可导电的固定片，以及对应设于固定片下方的弹片，弹片可发生弹性运动，从而具有与固定片导通的第一状态和与固定片断开的第二状态，扬声器与麦克风在弹片处于第一状态后的一段时间后开始工作。

本发明的有益效果是：

可以直接测量空间的体积，对容器的形状没有限制，因而可以适用于具有不规则腔体的容器，同时对液面的平整度以及容器的放置姿态要求较低，适用范围广；结构简单，体积小巧，将容器的密封与液量测量结合为一体，使用十分方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明检测方法的流程图；

图2是容器内液量较少时检测装置的检测原理图；

图3是容器内液量较多时检测装置的检测原理图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

根据常识，当声波在一有限体积的空间内运动时，声波将会在该空间内来回反弹，在与容器和液面的碰撞过程中其自身能量会不断损失，从而导致声波的衰减。如果空间的体积较小，声波与容器在单位时间内的碰撞次数较多，衰减速率较快；相反，如果空间的体积较大，声波在单位时间内发生碰撞的次数相对而言没有那么频繁，因此声波的强度衰减速率相对较低。

由以上的物理现象，本方案公开了一种基于声波衰减的液体体积测量方法。容器内的水量越多，空腔的体积越小，则声能的衰减系数越大；反之，容器内的水量越少，空腔的体积越大，则声能的衰减系数越小。具体的，参照图1，其包括以下步骤，

S10在容器内形成一腔体，该腔体可以使声波在其中发生反射，其优选为一封闭腔体，更优选的，其还是一隔音的腔体，当然，本发明并不要求腔体完全密封，其上可以根据使用需求开设孔、缝等结果，只需保证该孔、缝结构对测量结果的影响处于可控程度内即可。

S20向腔体内发射声波。

S30接收经腔体内壁与液面反射后的声波；

S40基于反射后声波的衰减系数获得容器内液体的体积。

优选的，步骤S20中声波的发射持续时长与波长为一固定值，时长的取值优选大于10ms，以使声波具有足够的能量，便于后续的接收。声波的波长优选大于容器的高度，且小于10m，一方面可以避免驻波的产生，另一方面又能防止低频声波穿透容器，造成声波泄漏。

对应上述固定时长与波长的声波，步骤S40中获得容器内液体体积的一种优选方法为：

S41建立不同体积的腔体与声波衰减系数的对应数据库，在本实施例中通过预先测试完成。具体的，首先固定腔体的体积值，然后在该腔体内发射上述的固定时长与波长的声波并接收反射后的声波，记录声波的衰减系数。然后改变腔体的体积值，在其他测试条件相同的情况下分别测量声波的衰减系数，将所有的数据集合整理形成数据库，体积值单次变动的数值不宜过大，以便获得更精确的数据库。

S42获得待测容器的容积。

S43根据步骤S30中检测获得的声波的衰减系数，结合数据库逆推出腔体的体积。

S44将容器容积值减去腔体的体积值便可以得到待测液体的体积值。

由于声音在空气中的传播速率较快，为了防止声波过度衰减，步骤S30中声波的接收在步骤S20中声波的发射后立即进行。

此外，腔体在刚形成之时可能会因为构件之间的碰撞或者外界噪声的残留导致腔体内存在杂音，故声波的发射与接收在腔体形成之后间隔一段时间后开始进行，以消除杂音的干扰，优选的，该时间间隔为1s。

为了能够更好的提高精度，还包括对接收的声波进行降噪处理的步骤。

在本方案中，声能的衰减系数优选为衰减速率。

以下结合实验数据对本发明进行说明，参照表1，其为通过本发明测量所得的液量与实际液量的对比，其中容器容量为500ml，内胆为圆柱形，直径5cm，表中数值的单位为ml。由表中数据可知，测量数据相对于实际数据偏离程度较小，误差可控制在3％以内，即本方案可以实现精确测量液体体积的目的。

表1

实际水量	测量水量	误差
			0	1	+1
50	46	-4
			100	108	+8
150	151	+1
			200	204	+4
250	256	+6
			300	292	-8
350	349	-1
			400	401	+1
450	437	-13
			500	500	0

参照表2，为在容器倾斜的情况下，本发明与超声波方式测量结果的对比，其中容器容量为500ml，内胆为圆柱形，直径5cm，倾斜角度为30°，表中数值的单位为ml。由表中数据可知，超声波测量在容器倾斜的情况下测量误差极大，尤其在液体体积占容器容积一半的时候误差最大，基本上已经无法实现测量目的，其原因在于容器发生倾斜时，超声波液位仪所发出的超声波必须经过腔体内壁和水面的多次反射才可以被超声波探头接收，因此在无水或水满时的误差较小，在装有一半水时的误差最大，而采用本发明中的测量方式仍然可以将误差控制在5％以内，具有很好的适应能力。

表2

本发明还公开了一种测量装置，参照图2与图3，其包括主体1、扬声器2、麦克风3与控制系统(未示出)。其中，主体1作为承载结构，用于安装所述扬声器、麦克风与控制系统。扬声器2与麦克风3在控制系统的控制下，分别进行声波的发射与接收，反射后的声波经控制系统检测获得衰减系数，系统检测基于容器的容积与衰减系数获得液体的体积。

优选的，所述扬声器发射的声波具有固定的持续时长与波长，且控制系统内存储有数据库，该数据库为该固定时长与波长的声波在不同体积的腔体内反射后的衰减系数的数据库。

作为测量装置的一个优选实施例，其可以是一个单独的结构，用于现有腔体内液体体积的测量，如汽车油箱内油量的监测，将主体1、扬声器2、麦克风3与控制系统集成为独立的测量装置，然后将该测量装置安装于油箱内便能完成液量的测量。

作为测量装置的另一个优选实施例，测量装置本身也可构成腔体的一部分。在本实施例中，主体优选为一容器或一盖体，当主体为容器时，扬声器2、麦克风3与控制系统安装在容器上，其需要配合容器盖形成上述的腔体；类似的，主体为盖体时，扬声器2、麦克风3与控制系统安装在盖体上，其需要配合容器形成上述的腔体。本实施例优选采用主体为盖体的情形，适用于水壶4等容器，其可将水壶4的密封与液量检测合为一体，便于用户使用。

可以理解的是，扬声器2、麦克风3与控制系统也可以分别安装在容器与容器盖上。

为了使液量测量更为精准，测量装置还包括触发装置。作为触发装置的一个实施例，以主体为容器盖的情形为例，包括设于容器盖上的至少两处的导电片，其处于同一水平面上，适用于具有导电能力的容器。当盖体与容器之间形成腔体时，容器口同时与导电片接触，从而在导电片之间形成导电回路，进而触发扬声器2与麦克风3开始工作。

上述实施例仅适用于具有导电功能的容器，对于由绝缘材料制成的容器则无法实现其功能，此外由于误差的存在，可能出现容器无法同时接触到限位装置的情况，导致无法同步测量，因此，本发明公开了进一步的改进方式，触发装置包括可导电的固定片，以及对应设于固定片下方的弹片，弹片可发生弹性运动，从而具有与所述固定片导通的第一状态和与所述固定片断开的第二状态。当盖体与容器形成腔体后，容器口抵持弹片使其与固定片接触，从而在弹片与固定片之间形成导电回路，进而触发扬声器与麦克风工作。

为消除残留噪音的影响，扬声器与麦克风在触发后的一段时间后开始工作。

以上为本发明公开的两种典型触发方式，但是本发明并不局限于这两种，其也可以是霍尔磁感式、光电式、电场耦合式等。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (15)

1.一种基于声波检测的容器内液体体积测量方法，包括以下步骤，

S10在容器内形成一不存在液体的腔体；

S20向腔体内发射可由腔体内壁与液面反射的声波，声波在反射过程中不断衰减；

S30接收经腔体内壁与液面反射后的声波；

S40基于反射后声波的衰减系数获得腔体的体积；

S50基于容器的总容积与所述腔体的体积获得容器内液体的体积。

2.根据权利要求1所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，所述腔体为一封闭的腔体。

3.根据权利要求2所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，步骤S20中声波的发射持续时长与波长为一固定值。

4.根据权利要求3所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，所述声波的发射持续时长大于10ms。

5.根据权利要求3所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，所述声波的波长大于容器的高度，且小于10m。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，步骤S40中获得容器内液体体积的方法为：

S41预先测试该固定时长与波长的声波在不同体积的腔体内反射后的衰减系数，形成数据库；

S42获得容器的容积；

S43根据步骤S30中声波的衰减系数与数据库获得腔体的体积；

S44容器容积与腔体体积之间的差值为待测液体的体积。

7.根据权利要求6所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，所述衰减系数为声波的衰减速率。

8.根据权利要求6所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，声波的发射在腔体形成之后间隔一段时间后开始进行。

9.根据权利要求8所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，声波的接收在声波的发射后立即进行。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的基于声波检测的容器内液体体积测量方法，其特征在于，包括对接收的声波信号进行降噪处理的步骤。

11.一种液体体积测量装置，用于检测容器内液体的体积，该容器内具有一不存在液体的腔体，其特征在于，包括

作为承载结构的主体；

扬声器，其设于该主体上，用于向腔体内发射可由腔体内壁与液面反射的声波，声波在反射过程中不断衰减；

麦克风，其设于该主体上，用于接收经腔体内壁与液面反射后的声波；

控制系统，用于控制所述扬声器向腔体内发射声波、控制所述麦克风接收反射后的声波以及检测反射后声波的衰减系数，基于声波的衰减系数获得腔体的体积，并基于容器容积与所述腔体的体积获得液体的体积。

12.根据权利要求11所述的液体体积测量装置，其特征在于，所述扬声器发射的声波具有固定的持续时长与波长，且所述控制系统内存储有数据库，所述数据库为该固定时长与波长的声波在不同体积的腔体内反射后的衰减系数的数据库。

13.根据权利要求11或12所述的液体体积测量装置，其特征在于，所述主体为一容器或一盖体。

14.根据权利要求13所述的液体体积测量装置，其特征在于，包括设于所述主体上的至少两处的导电片，其处于同一平面上，所述扬声器与麦克风在导电片之间导通后的一段时间后开始工作。

15.根据权利要求13所述的液体体积测量装置，其特征在于，包括设于所述主体上的可导电的固定片，以及对应设于所述固定片下方的弹片，所述弹片可发生弹性运动，从而具有与所述固定片导通的第一状态和与所述固定片断开的第二状态，所述扬声器与麦克风在弹片处于第一状态后的一段时间后开始工作。