CN107741264A - 一种超声波液位测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波液位测量方法和装置，包括：步骤1，将信号发射系统的发射探头安装在气液鼓泡装置侧壁面下部，将信号发生器产生的信号转换为超声波信号；步骤2，将信号采集系统的接收探头安装在气液鼓泡装置侧壁面上部，接收超声波信号，并将超声波信号转换为电信号后传输给采集卡和计算机；步骤3，根据超声波信号的振幅衰减原理以及减震原理，建立超声波阻尼衰减液位检测模型；步骤4，根据超声波阻尼衰减液位检测模型，建立接收到的信号与液位之间的关联式，对液位进行检测。利用本发明能够适应液面波动、雾沫夹带、内构件复杂等多种测量环境，可准确、稳定地检测液位。
Description
技术领域
本发明涉及液位检测领域，具体涉及一种超声波液位测量方法和装置。
背景技术
液位高度是家用蒸锅、鲜活水产品运输罐、液体储罐、气液鼓泡塔等生活和生产装置的重要参数，液位高度的变化速率可用于表征出料的通畅性和稳定性，对液体储存装置、气液反应系统的运行起重要作用。但在气液体系中，由于气体/液体物料的进出、气体鼓泡、气体射流等作用，导致液面波动幅度较大或出现雾沫夹带等现象，给液位的准确测量带来较大的困难。
常规的静态液位可用静压型物位计、雷达型物位计、超声波物位计、电容式物位计和核辐射物位计等方法准确测量，但是动态液位、尤其是气液体系液位的准确测量至今仍然是多相流检测领域的难题之一。可见，开发一种能够适应复杂环境、非侵入式、安全环保的液位检测方法及装置，用于气液体系动态液位的检测，对保障装置正常运行、提高装置的经济效益具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种超声波液位测量方法和装置，该方法能够适应液面波动、雾沫夹带、内构件复杂等多种测量环境，可准确、稳定地检测液位。
一种超声波液位测量方法，包括以下步骤：
步骤1，将信号发射系统的发射探头安装在气液鼓泡装置侧壁面下部，将信号发生器产生的信号转换为超声波信号；
步骤2，将信号采集系统的接收探头安装在气液鼓泡装置侧壁面上部，接收超声波信号，并将超声波信号转换为电信号后传输给采集卡和计算机；
步骤3，根据超声波信号的振幅衰减原理以及减震原理，建立超声波阻尼衰减液位检测模型；
步骤4，根据超声波阻尼衰减液位检测模型，建立接收到的信号与液位之间的关联式，对液位进行检测。
步骤1中，信号发生器产生的超声信号频率为50～250kHz，优选100～200kHz。
步骤2中，接收探头的采样频率为100kHz～500kHz，优选100
kHz～300kHz。
步骤3中，所述的超声波阻尼衰减液位检测模型为：
y＝xexp(C(1-x))
其中
x＝H/L
y＝(E0-E)/(E0-EL)
式中，E0代表液位在发射探头时，接收探头接收到的信号能量；E代表液位高度为H时接收探头接收到的能量，EL代表液位高度为L，即液位在接收探头位置时接收探头接收到的能量，C为无因次方程的模型参数。
在装置开测前，通过以发射探头和接收探头之间(包括发射探头和接收探头)至少4个液位作为测量点，进行静态和动态液位测量实验，并对获得的数据进行处理，得到无因次方程的模型参数C。
装置存在多个批次，并且密度、粘度差别大的液体物料时，需要对获取液体物料的密度、粘度与模型参数C的关系式，从而对模型进行校正。
液体液位检测时，超声波液位计输出的接收电压通过采集卡和计算机记录，接收探头和发射探头圆心间距大于探头直径的2倍。
本发明提供一种超声波液位测量装置，包括信号采集系统和信号发射系统，所述信号采集系统由接收探头、前置放大器、主放大器、采集卡和计算机组成，所述信号发射系统包括信号发射器和发射探头，其中发射探头贴在被测量装置的壁面；接收探头贴在被测装置的壁面，经前置放大器，与主放大器相连；采集卡一端与主放大器相连，另一端与计算机相连；信号发生器一端与发射探头相连，另一端与计算机相连；计算机包括显示装置，数据存储装置和中央处理器。
所述接收探头和所述前置放大器的数量相同，均为1～10个。当安装多个接收探头时，接收探头之间的间距相同。
所述采集卡采集至少10个不同的信号，并通过网线或无线传输模块与计算机相连。
本发明采用的超声波液位测定是基于超声波信号的振幅衰减原理以及减震原理，建立了阻尼衰减液位检测模型。在相同壁面材料下，其中超声波信号的衰减主要由物料产生的辐射阻尼引起的，不同的液位高度导致声波信号的衰减程度也不同。
本发明采用将发射探头和接收探头置于装置侧壁面的测量方式，操作简易方便，不会与物料直接接触，且能够适用液面波动、雾沫夹带、内构件复杂等复杂环境，可准确、稳定地检测液位。
附图说明
图1为液体液位检测装置示意图；
图2为鼓泡区静态液位超声阻尼衰减模型预测值和实际值对比图；
图3为鼓泡区液位高度与超声波能量随时间的变化关系；
图4为鼓泡区动态液位超声波阻尼衰减模型预测值和实际值对比图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明所用的实验装置如图1所示，包括接收探头1，前置放大器2，信号发生器和信号转换模器集成模块3，采集卡4，计算机5，气液鼓泡装置6，阀门7和发射探头8组成，实验过程中，声波信号的采样频率为500kHz。将发射探头设置在装置底部的壁面处，接收探头设置在装置顶部的壁面处。在动态液位检测实验中，为了更加直观地观察液位变化，采用摄像法记录液位高度的动态变化过程。
实施例1：气液鼓泡装置静态液位测量
实验中采用的液体为水，可以从上方注水口注入，也可从下部阀门流出，从而改变气液鼓泡装置6内的液位。接收探头1测的声信号转换为电信号后通过采集卡4和计算机5记录。发射探头8产生200kHz方波声信号，接收探头1采样频率为500kHz。
具体的实验方案如下：
(1)实验时发射探头8位于气液鼓泡装置6的下方，距离气体进口50mm，接收探头1置于气液鼓泡装置6的上方，与发射探头8的距离为400mm
(2)液位从气液鼓泡装置6底部开始，每次增加气液鼓泡装置6中的液体体积，使得静液位分别为220mm、250mm、280mm和310mm，然后向气液鼓泡装置6中通入10立方米每小时的空气，等输出信号稳定后再进行采集，采样时间为10s；
(3)接收探头采集到的信号转变为电信号后，经采集卡4传输给计算机5。
对采集到的声信号和测量得到的液位高度进行数据处理，得到无因次能量和无因次液位高度的预测结果如图2所示，超声波阻尼衰减液位检测模型为：
y＝xexp(1.2143(1-x))
模型预测值和实验值的平均性对误差为1.36％，表明超声波阻尼衰减液位检测模型与实验数据吻合较好。
实施例2：气液鼓泡装置动态液位测量
实验中采用的液体为水，可以从上方注水口注入，也可从下部阀门流出，从而改变气液鼓泡装置6内的液位。接收探头1测的声信号转换为电信号后通过采集卡4和计算机5记录。发射探头8产生175kHz的方波信号，接收探头1采样频率为500kHz。
(1)实验中关闭出水阀门7，从气液鼓泡装置6上部的注液口注入液体，液位高度每分钟增加50mm，并向气液鼓泡装置中通入流量为20立方米每小时的空气，液位从0开始不断增加至接收探头1处，液位上升的过程中接收探头1连续采集信号；
(2)气体进口位于发射探头8和接收探头1下方。发射探头8安装在气液鼓泡装置6侧壁下部，垂直方向上距离气体进口50mm，接收探头1安装在气液鼓泡装置6侧壁上部，垂直方向距离气体进口1050mm，进行鼓泡区液位连续变化过程的检测。
图3为鼓泡区液位检测实验结果。在加水过程中，当液位逐渐上升经过下方发射探头8时，检测信号迅速下降；当液位进一步升高时，检测信号随着液位的升高而线性降低；停止加水后，液位趋于平稳，检测信号也趋于平稳。在放水过程中，检测信号随着液位的降低而线性增大，当液位经过下方发射探头8时，检测信号迅速回升并最终稳定在加水前的初始值。
实验结果表明，当气液鼓泡装置6中鼓泡区液位连续变化时，超声波液位测量的声信号幅值呈现出较好的单调变化规律，说明其具备监测鼓泡塔中鼓泡区连续液位变化的能力。
动态液位无因次能量和无因次液位高度的预测结果如图4所示，超声波阻尼衰减液位检测模型为：
y＝xexp(0.2426(1-x))
模型预测值和实验值的平均相对误差为5.78％，表明超声波阻尼衰减液位检测模型与实验数据吻合较好。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超声波液位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将信号发射系统的发射探头安装在气液鼓泡装置侧壁面下部，将信号发生器产生的信号转换为超声波信号；
步骤2，将信号采集系统的接收探头安装在气液鼓泡装置侧壁面上部，接收超声波信号，并将超声波信号转换为电信号后传输给采集卡和计算机；
步骤3，根据超声波信号的振幅衰减原理以及减震原理，建立超声波阻尼衰减液位检测模型；
步骤4，根据超声波阻尼衰减液位检测模型，建立接收到的信号与液位之间的关联式，对液位进行检测。
2.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，步骤1中，信号发生器产生的超声信号频率为50～250kHz。
3.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，步骤2中，接收探头的采样频率为100kHz～500kHz。
4.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，步骤3中，所述的超声波阻尼衰减液位检测模型为：
y＝xexp(C(1-x))
其中
x＝H/L
y＝(E0-E)/(E0-EL)
式中，E0代表液位在发射探头时，接收探头接收到的信号能量；E代表液位高度为H时接收探头接收到的能量；EL代表液位在接收探头位置时，接收探头接收到的能量；L代表接收探头安装位置的液位高度；C为无因次方程的模型参数。
5.根据权利要求4所述的超声波液位测量方法，其特征在于，所述的模型参数C的得到方式为：在测量之前，通过在发射探头和接收探头之间选择4个液位作为测量点，进行静态和动态液位测量变化实验，并对获得的数据进行处理得到。
6.根据权利要求1或4所述的新型的超声波液位测量方法，其特征在于：步骤3中，建立超声波阻尼衰减液位检测模型后，获取待测液体物料的密度、粘度与模型参数C的关系式，对检测模型进行校正。
7.一种超声波液位测量装置，包括信号采集系统和信号发射系统，所述信号采集系统由接收探头、前置放大器、主放大器、采集卡和计算机组成，所述信号发射系统包括信号发射器和发射探头，其特征在于，发射探头和接收探头贴在被测装置的壁面；接收探头通过前置放大器与主放大器相连；采集卡一端与主放大器相连，另一端与计算机相连；信号发生器一端与发射探头相连，另一端与计算机相连。
8.根据权利要求7所述的超声波液位测量装置，其特征在于，所述接收探头和所述前置放大器的数量相同。
9.根据权利要求7或8所述的超声波液位测量装置，其特征在于，所述接收探头数量为1～10个，接收探头之间的间距相同。
10.根据权利要求7所述的超声波液位测量装置，其特征在于，所述采集卡采集至少10个信号，并通过网线或无线传输模块与计算机相连。
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| CN201710985687.2A CN107741264A (zh) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | 一种超声波液位测量方法和装置 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111649791A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-09-11 | 浙江省水利河口研究院 | 一种水面上测量多流态水体流量的装置及方法 |
| CN112079457A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-15 | 东南大学 | 一种自动测量液面高度的曝气系统及液面高度测量方法 |
| CN113970594A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-25 | 北京锐达仪表有限公司 | 超声阵列能量合成探头界面测量系统 |
| CN115615521A (zh) * | 2022-08-17 | 2023-01-17 | 南京淼瀛科技有限公司 | 一种基于非侵入式超声波传感器的油量检测方法及系统 |
-
2017
- 2017-10-20 CN CN201710985687.2A patent/CN107741264A/zh not_active Withdrawn
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Application publication date: 20180227 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |