CN105987737A

CN105987737A - 一种超声波液位探测仪和探测方法

Info

Publication number: CN105987737A
Application number: CN201510080895.9A
Authority: CN
Inventors: 田静; 程晓斌; 杨军; 王勋
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-10-05

Abstract

本发明提供一种超声波液位探测仪和探测方法，探测仪包括：收发合制传感器发射第一超声波信号和第三超声波信号，并接收第一超声波信号、第三超声波信号经密闭容器的内表面反射后的第二超声波信号和第四超声波信号；处理模块根据第一超声波信号和第二超声波信号得到第一声压反射比，根据第二超声波信号和第四超声波信号，得到第二声压反射比；并将第一声压反射比和第二声压反射比进行比较；当第一结果大于第一阈值时，确定液面位置介于第一传感器对应的第一位置与第二传感器对应的第二位置之间。因此，本发明提供的超声波液位探测仪和探测方法，通过将超声传感器设置在罐体侧面，避免了容器结构、液体的属性造成的液位无法探测或者液位探测不准确。

Description

一种超声波液位探测仪和探测方法

技术领域

本发明涉及探测领域，尤其涉及一种超声波液位探测仪和探测方法。

背景技术

在工业生产和运输中，经常使用耐高温高压的密封容器乘装一些易燃、易爆或者有毒的液体。由于安全或者其他需要，需要对密封容器中乘装的液体液位进行检测。对密封容器中乘装液位的检测方法有两种：介入式检测方法和非介入式检测方法。由于介入式检测方法存在以下缺点：会破坏密封容器的结构，大大降低密封容器的强度；存在一些高危安全问题，例如，密封容器中乘装的是易燃、易爆液体采用介入式液位探测造成的安全问题，或者密封容器中乘装有腐蚀性的液体采用介入式液位探测会腐蚀传感器，因此，对于一些液体并不适用于介入式探测。非介入式探测使用最多的是超声波探测方法，但是目前，采用非介入式探测通常是在乘装液体的容器底部安装超声波传感器，超声波传感器发射超声波，超声波透过容器壁进入液体，当超声波到达液面时会产生反射波，反射波再回传，直到被传感器接收，通过计算超声波的传播时间来计算液体的高度。

而这种非介入式探测方法存在一下缺点：当容器中乘装的液体是一种非均匀液体，或者密度非均匀，或者温度非均匀时，液体内部声的传播速度也不均匀，难以获取准确的声速分布，导致液位高度计算不准确；当液体含有气泡或者固体块时，气泡或者固体块遇到超声波后会产生反射，而超声波探测仪系统难以区分液面还是气泡或者固体块，同时气泡或者固体块也会产生噪声导致测量不准确；当液体阻尼较大，液体会吸收大量的超声波，造成超声波反射波非常微弱，造成超声探测系统难以检测液位高度；当容器壁的多次反射会造成测量盲区，即当液面反射与罐壁的多次反射重合，难以区分，造成测量盲区；当罐体底部无足够的平整区域时，难以安装传感器，例如常见氧气瓶等罐体；当液体没有明显液面时，难以获得液面回波，例如锅炉的高压汽包。

发明内容

本发明提供的一种超声波液位探测仪，用以避免乘装液体的容器结构、液体的属性造成的液位无法探测或者液位探测不准确。

第一方面，本发明提供了一种超声波液位探测仪，，用于密闭容器中液面高度探测，所述探测仪包括：收发合制传感器和处理模块；其中，所述收发合制传感器至少包括：第一传感器和第二传感器；

所述第一传感器用于发射第一超声波信号，并接收所述第一超声波信号经所述密闭容器的内表面反射后的第二超声波信号；

所述第二传感器用于发射第三超声波信号，并接收所述第三超声波信号经所述密闭容器的内表面反射后的第四超声波信号；

所述处理模块，用于根据所述第一超声波信号和所述第二超声波信号得到第一声压反射比，根据所述第二超声波信号和所述第四超声波信号，得到第二声压反射比；并且，将所述第一声压反射比和第二声压反射比进行比较，得到第一结果；当所述第一结果大于第一阈值时，确定所述液面位置介于所述第一传感器对应的第一位置与所述第二传感器对应的第二位置之间。

优选地，所述探测仪还包括：操作指令接收模块，用于接收触发指令，根据所述触发指令，所述第一传感器发射所述第一超声波信号，所述第二传感器发射所述第三超声波信号。

优选地，处理模块具体用于，根据所述第一超声波和第二超声波的电压幅值得到所述第一声压反射比；根据所述第三超声波和第四超声波的电压幅值得到所述第二声压发射比。

优选地，所述第一传感器和第二传感器保持预设距离，分别平行于被测液面设置在容器侧壁的外表面上。

优选地，所述探测仪还包括：

显示输出模块，用于根据所述第一结果进行液面位置的输出显示；

供电模块，用于向收发合制传感器、处理模块、显示输出模块和操作指令接收模块提供电能。

第二方面，本发明提供一种超声波液位探测方法，所述探测方法包括：

接收触发指令；

根据所述触发指令，所述第一传感器发射第一超声波信号，并接收所述第一超声波信号经所述密闭容器的内表面反射后的第二超声波信号；

所述第二传感器发射第三超声波信号，并接收所述第三超声波信号经所述密闭容器的内表面反射后的第四超声波信号；

根据所述第一超声波信号和所述第二超声波信号得到第一声压反射比，根据所述第二超声波信号和所述第四超声波信号，得到第二声压反射比；并且，将所述第一声压反射比和第二声压反射比进行比较，得到第一结果；

当所述第一结果大于第一阈值时，确定所述液面位置介于所述第一传感器对应的第一位置与所述第二传感器对应的第二位置之间。

优选地，所述根据所述第一超声波信号和所述第二超声波信号得到第一声压反射比，根据所述第二超声波信号和所述第四超声波信号，得到第二声压反射比，具体为：

根据所述第一超声波和第二超声波的电压幅值得到所述第一声压反射比；

根据所述第三超声波和第四超声波的电压幅值得到所述第二声压发射比。

优选地，在所述接收触发指令之前，所述探测方法还包括：

将所述第一传感器和第二传感器保持预设距离，分别平行于被测液面设置在容器侧壁的外表面上。

优选地，在所述将所述第一声压反射比和第二声压反射比进行比较，得到第一结果之后，所述探测方法还包括：

根据所述第一结果进行液面位置的输出显示。

因此，本发明提供的一种超声波液位探测仪，通过将收发合制传感器设置在容器侧面外表面上，当经过液面上下时回波强度会有明显区别，从而探测到液面位置，避免了容器结构、液体属性造成的液位无法探测或者液位探测不准确。

附图说明

图1为本发明提供的确定液面位置的原理示意图；

图2为本发明提供的一种超声波液位探测仪的结构示意图；

图3为本发明提供的一种超声波液位探测方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供的超声波液位探测仪，本实施例通过耦合剂将探测仪中两个具有发射和接收功能的传感器，保持一定的距离，设置在容器侧壁的外表面上，两个传感器分别平行于被测液面。通过传感器接收经过容器侧壁内表面反射回来的超声波信号，对接收到的超声波信号进行数据处理确定液面位置。如图1所示，图1为本发明提供的确定液面位置的原理示意图。

当收发合制传感器发射超声波信号，超声波信号穿过罐(容器)壁，一部分超声波信号以入射波形式入射到容器内部的介质中，一部分超声波信号以透射波的形式穿过容器内的介质，还有一部分超声波信号通过容器的内表面反射回来，发合制传感器接收反射回来的超声波信号。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图2为本发明提供的一种超声波液位探测仪的结构示意图。

如图2所示，本实施提供的一种超声波液位探测仪包括收发合制传感器11，处理模块12、显示输出模块13和操作指令接收模块14、供电模块15。

传感器11具体为锆钛酸铅(PbZr_xTi_1-xO₃，PZT)陶瓷传感器，为ABO₃型钙钛矿材料，所述传感器11的频带使用范围为100kHz-2MHz。

在一个优选实施例中，所述传感器11采用P5型,频率为1.2MHz。

其中，收发合制传感器11包括第一传感器111和第二传感器112。

第一传感器111发射第一超声波信号，并接收第一超声波信号经所述密闭容器的内表面反射后的第二超声波信号；第二传感器112用于发射第三超声波信号，并接收所述第三超声波信号经所述密闭容器的内表面反射后的第四超声波信号。

具体地，第一超声波信号和第二超声波信号分别经过密闭容器壁，在密闭容器壁与密闭容器中的介质交界面处产生反射信号，第一超声波信号产生第二超声波信号，第三超声波信号产生第四超声波信号。其中，密闭容器中的介质包括乘装的液体和空气。

所述处理模块12，根据所述第一超声波信号和所述第二超声波信号得到第一声压反射比，根据所述第二超声波信号和所述第四超声波信号，得到第二声压反射比；并且，将所述第一声压反射比和第二声压反射比进行比较，得到第一结果；当所述第一结果大于第一阈值时，确定所述液面位置介于所述第一传感器对应的第一位置与所述第二传感器对应的第二位置之间。

具体为，第一结果可以具体为第一声压反射比与第二声压反射比相减，根据相减后的结果对密闭容器中液体高度进行判断。即当第一声压反射比与第二声压反射比的值相等或相接近时，表示两个传感器都处于液面以上或者液面以下位置。当第一声压反射比与第二声压反射比的值相差很大时，表示两个传感器分别处于液面以上和液面以下，表示液面处于两个传感器位置的中间位置。

在一个具体实施例中，处理模块12包括：数字处理单元、输出单元、数模转换单元、输入单元和模数转换单元。数字处理单元通过输出单元根据操作指令接收模块14接收到的触发指令将输出信号传输给数模转换单元，输出信号为预先存储的正弦波序列；数模转换单元将输出信号转换为模拟信号，并传输给收发合制传感器11；收发合制传感器11接收信号后，将信号转换成声信号进行发射，当声波遇到容器内壁时,一部分声波透射过容器内壁与容器内介质的界面,另一部分声波则反射回去,再次被收发合制传感器11接收,即收发合制传感器11中的第一传感器111发射第一超声波信号经密闭容器内壁反射后接收第二超声波信号，第二传感器112发射第三超声波信号经密闭容器内壁反射后接收第四超声波信号；收发合制传感器11将接收到的第二超声波信号和第四超声波信号经过输入单元，传输给模数转换单元，将第二超声波信号和第四超声波信号分别转换为数字信号，并传输给数字处理单元；将输出信号的电压幅值与第二超声波的电压幅值相比得到第一声压反射比，将输出信号的电压幅值与第四超声波的电压幅值相比得到第二声压发射比；并将第一声压反射比和第二声压反射比相减，当第一声压反射比与第二声压反射比之间的差值很大时，确定所述液面位置介于所述第一传感器111对应的第一位置与所述第二传感器112对应的第二位置之间；当第一声压反射比与第二声压发射比之间的差值相等或者相近时，表明第一传感器111和第二传感器112处于液面的同一侧，即同在液面位置以下或者同在液面以上。其中数字处理单元外接显示输出模块13。

处理模块12通过发射信号和接收信号的电压幅值得到声压反射比。相当于通过介质的特征阻抗得到的声压反射比，可以具体为：采用介质的特征阻抗公式：

r_{ρ} = \frac{R_{2} - R_{1}}{R_{2} + R_{1}} - - - (1)

其中，R₁＝ρ₁c₁，R₁表示容器材料的特性阻抗，ρ₁表示容器材料的密度，c₁表示声音在容器材料中的传播速度；R₂＝ρ₂c₂，R₂表示容器内介质的特性阻抗，ρ₂表示容器内包括介质的密度，c₂表示声音在介质中传播的速度。容器内的介质包括空气和乘装的液体。

当传感器11在液面以上时，容器内的介质为空气，当传感器11在液面以下时，容器内的介质为液体。由于容器中空气与液体的密度比较大，而且声音在空气或者液体中的传播速度也相差很大，传感器在液面以上与在液面以下接收到的信号也会有差别，将接收的到信号进行处理得到的声压反射比相差很大。

在一个具体实施中，根据第一传感器发射信号与接收信号得到的声压反射比与根据第二传感器发射信号与接收信号得到的声压反射比相等或者相近时，表示两个传感器的位置都处于液面以上或者液面以下。通过将两个传感器的位置进行上下移动，进行液面探测，重复探测，截止到根据第一传感器发射信号与接收信号得到的声压反射比与根据第二传感器发射信号与接收信号得到的声压反射比有明显差别时，确定容器中液面处于两个传感器所在位置的之间。在这种情况下，如果两个探测器设置在容器壁侧壁上的距离较远时，可以将两个传感器同时向相反方向移动，缩短两个传感器之间的距离进行探测，获取容器中液面高度。也可以固定两个传感器中其中一个传感器，将另外一个传感器向固定的传感器的方向移动，并进行检测，获取容器液面高度。

可选地，所述处理模块12还可以包括过滤器和信号增益单元，过滤器的一端分别连接数模转换单元和模数转换单元，另一端连接信号增益单元，信号增益单元外接收发合制传感器11。过滤器用于将转换为模拟信号的输出信号、第二超声波信号和第四超声波信号进行过滤，去除接收到的干扰信号。信号增益单元用于将过滤后的输出信号、第二超声波信号和第四超声波信号进行信号放大。

具体地，数模转换单元将接收到的模拟第一超声波信号和第二超声波信号分别转换成数字信号；然后经过过滤器和信号增益单元对信号进行过滤和放大后传输给数字信号处理单元进行处理。

在一个优选实施例中，所述处理模块12可以具体为TI公司生产的OMAP-L137芯片。

所述显示输出模块13，用于根据所述第一结果进行液面位置的输出显示。

具体地，当处理模块12得到第一结果时，将第一结果传输给显示输出模块13，显示输出模块13根据第一结果，向用户显示确定液面位置探测到还是未探测到。

优选地，显示输出模块13可以具体为二极管(Light Emitting Diode,LED)灯，显示输出模块13可以具体包括三个LED灯，分别指示电源，确定液面位置和未确定液面位置。

在一个具体实施例中，当确定液面位置时，LED灯显示绿灯亮，当未确定液面位置时，LED灯显示红灯亮。

所述操作指令接收模块14，用于接收触发指令，所述传感器根据所述触发指令发射超声波信号。

操作指令接收模块14可以具体为按键，包括电源开关按键和触发超声波发射按键。

具体地，当将两个传感器保持一定的距离，分别平行于被测液面设置在容器侧壁的外表面上之后，探测者可以通过控制电源开关按键将探测仪打开，通过触发超声波发射按键控制探测仪的两个传感器分别发射超声波。其中，两个传感器保持设置时保持的距离可以根据液面波动的范围确定。

供电模块105，用于向传感器11、处理模块12、显示输出模块13和操作指令接收模块14提供电能。

在一个优选实施例中，所述供电模块105可以具体为锂电池。

因此，本实施例提供的超声波液位探测仪，通过将两个传感器平行于被测液面，保持一定距离设置在容器侧壁的外表面上，传感器接收容器内壁反射回来的超声波，经过数据处理确定液面的位置，可以经过移动传感器在侧壁上的位置，最终确定密闭容器中液位高度，避免了容器结构、液体属性造成的液位无法探测或者液位探测不准确。

图3为本发明提供的一种超声波液位探测方法的流程图。

如图3所示，本实施例提供的超声波液位探测方法包括以下步骤：

步骤201，将第一传感器和第二传感器保持预设距离，分别平行于被测液面设置在容器侧壁的外表面上。

具体地，通过耦合剂将第一传感器和第二传感器设置在容器侧壁的外表面上，第一传感器和第二传感器保持一定的距离，上下平行于被测液体的液面。其中，所述容器内包括被测液体。耦合剂是通过耦合剂喷射装置得到，耦合剂喷射装置可以具体为按压式喷射装置和耦合剂瓶，包括按压喷射键，通过按压喷射键，将耦合剂从耦合瓶中挤出。第一传感器和第二传感器之间的保持的预设距离可以根据被测液面上下波动的范围来设定。

步骤202，接收触发指令。

通过操作指令接收模块上设置的电源开关按键和触发超声波发射按键，操作者根据需要，触动触发超声波发射按键，生成触发指令。

步骤203，根据触发指令，所述第一传感器发射第一超声波信号；第二传感器发射第三超声波信号。

步骤204，第一传感器接收第二超声波信号；第二传感器接收第四超声波信号。

步骤205，根据所述第一超声波信号和所述第二超声波信号得到第一声压反射比，根据所述第二超声波信号和所述第四超声波信号，得到第二声压反射比。

具体地，根据第一超声波和第二超声波的电压幅值得到第一声压反射比；根据第三超声波和第四超声波的电压幅值得到第二声压发射比。相当于通过介质的特征阻抗得到的声压反射比，具体为，采用介质的特征阻抗公式(1)：

r_{ρ} = \frac{R_{2} - R_{1}}{R_{2} + R_{1}}

其中，R₁＝ρ₁c₁，，R₁表示容器材料的特性阻抗，ρ₁表示容器材料的密度，c₁表示声音在容器材料中的传播速度；R₂＝ρ₂c₂，R₂表示容器内介质的特性阻抗；ρ₂表示容器内包括介质的密度，c₂表示声音在介质中传播的速度。容器内的介质包括空气和乘装的液体。

液面以上，容器内的介质为空气，液面以下，容器内的介质为液体。对传感器在液面以上与在液面以下分别接收到的超声波反射信号做处理得到的两个声压反射比相差很大。

步骤206，将所述第一声压反射比和第二声压反射比进行比较，得到第一结果。

具体地，第一比较结果可以具体为第一声压反射比与第二声压反射比相减，根据相减后的结果对密闭容器中液体高度进行判断。即当第一声压反射比与第二声压反射比的值相等或相接近时，表示两个传感器都处于液面以上或者液面以下位置。当第一声压反射比与第二声压反射比的值相差很大时，表示两个传感器分别处于液面以上和液面以下，表示液面处于两个传感器位置的中间位置。

步骤207，根据所述第一结果进行液面位置显示。

具体地，根据步骤206处理得到两个声压反射比比较的结果进行显示，当得到声压反射比值较大时，通过LED灯显示检测到液面位置，当得到的声压反射比值相等或者向接近时，通过LED灯显示未检测到液面位置。

在一个具体实施例中，当确定液面位置时，LED灯显示绿灯亮，当未确定液面位置时，LED灯显示红灯亮。当LED红灯亮时，通过同时将收发合制传感器向上或者向下移动，重新发射和接收超声波信号，获取第一声压反射比和第二声压反射比确定密闭容器中液面高度。最终确定液面位置。

在另一个具体实施例中，当未检测到液面位LED红灯亮时时，可以将收发合制传感器中的一个传感器固定，移动其中一个传感器，确定液面位置。

因此，通过本发明实施例提供的超声波液位探测方法，将两个传感器平行于被测液面，保持一定距离设置在容器侧壁的外表面上，传感器接收容器内介质反射回来的超声波，经过数据处理确定液面的位置，避免了容器结构、液体属性造成的液位无法探测或者液位探测不准确。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超声波液位探测仪，用于密闭容器中液面高度探测，其特征在于，所述探测仪包括：收发合制传感器和处理模块；其中，所述收发合制传感器至少包括：第一传感器和第二传感器；

2.根据权利要求1所述的超声波探测仪，其特征在于，所述探测仪还包括：

操作指令接收模块，用于接收触发指令，根据所述触发指令，所述第一传感器发射所述第一超声波信号，所述第二传感器发射所述第三超声波信号。

3.根据权利要求1所述的超声波液位探测仪，其特征在于，处理模块具体用于，根据所述第一超声波和第二超声波的电压幅值得到所述第一声压反射比；根据所述第三超声波和第四超声波的电压幅值得到所述第二声压发射比。

4.根据权利要求1所述的超声波探测仪，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器保持预设距离，分别平行于被测液面设置在容器侧壁的外表面上。

5.根据权利要求1所述的超声波探测仪，其特征在于，所述探测仪还包括：

6.一种超声波液位探测方法，其特征在于，所述探测方法包括：

接收触发指令；

7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，所述根据所述第一超声波信号和所述第二超声波信号得到第一声压反射比，根据所述第二超声波信号和所述第四超声波信号，得到第二声压反射比，具体为：

8.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在所述接收触发指令之前，所述探测方法还包括：

9.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在所述将所述第一声压反射比和第二声压反射比进行比较，得到第一结果之后，所述探测方法还包括：

根据所述第一结果进行液面位置的输出显示。