CN108709605B - 基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统。它包括用于发射超声波脉冲信号或接收液面回波信号的测量装置，用于发射超声波脉冲信号或接收对面罐壁回波信号的校准装置；主机，用于控制测量装置和校准装置工作，并根据测量装置和校准装置测到的数据确定液位高度。本发明采用了多次回波判定，极大提高了液位判断的准确性；采用自主式校准和温度补偿两种校准方式，大幅提高声速精度，从而使设备适用与绝大部分介质的液罐，获得毫米级的液位测量精度。

Description

基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统

技术领域

本发明属于罐体液位测量技术领域，具体涉及一种基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统。

背景技术

液位计是用于测量罐体液位高度的仪器，采用外贴式超声波探头进行测量的仪器原理是将超声波探头安装于液罐底部，向液罐发射垂直方向的超声波脉冲信号，检测液面回波信号，利用时差法求解液位高度。这里面有两个的关键问题需要解决：一是准确检测回波，由于罐体型式各异，液体种类繁多，探头安装位置原因，超声波脉冲信号传导进罐体内部时，不仅会引起混响信号，而且存在多径效应，出现多个回波，干扰实际液面回波，对准确检测真实回波造成困难，目前对该问题尚未能很好解决。二是准确获取声速，声速是外贴式超声波液位计的准确测量的前提，实际中，液罐存储的介质多种多样，密度、温度、压力各不相同，声速也相差很大，且会随着温度的变化而发生改变，造成很大测量误差，目前的做法是有的未修正声速，有的进行简单的温度补偿，有的增加校准探头，未能融合使用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种方法简单、测量精度高的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统。

本发明采用的技术方案是：一种基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，包括

测量装置，安装于罐体底部，用于根据主机的控制信号发射超声波脉冲信号或接收液面回波信号、用于将液面回波信号输出至主机；

校准装置，安装于罐体侧面外壁上，用于根据主机的控制信号发射超声波脉冲信号或接收对面罐壁回波信号、用于将对面罐壁回波信号输出至主机；

主机，用于向测量装置发出发射超声波脉或接收液面回波的控制信号、在接收的液面回波信号中查找超过设定检波门限的多次液面回波、根据多次液面回波之间的时间间隔确定液面回波时延ΔT1；

用于在罐体液位高度高于校准装置安装高度时向校准装置发出发射超声波脉或接收对面罐壁回波的控制信号、在接收的对面罐壁回波信号中查找超过设定检波门限的多次对面罐壁回波、根据多次对面罐壁回波之间的时间间隔确定对面罐壁回波时延ΔT2；

用于根据液面回波时延ΔT1和对面罐壁回波时延ΔT2确定液位高度H。

进一步地，所述在接收的液面回波信号中查找超过设定检波门限的多次液面回波的过程包括以下步骤：

步骤1，对液面回波信号进行处理得到回波包络信号，并确定超声波脉冲信号的发射时刻，记为t0，

步骤2，将回波包络信号与设定的检波门限进行比较，确定回波包络信号中从t0时刻后第一个超过检波门限的回波上升沿的时刻t1，并记t0时刻与t1时刻之间的间隔时间为Δt；

步骤3，在距离t1时刻位置n倍Δt的后续时刻查找是否存在超过设定检波门限的多次回波，n＝1,2,……；

步骤4，若存在一个以上的多次回波，则查找到所述的多次液面回波，并记Δt为液面回波时延ΔT1；

步骤5，若不存在一个以上的多次回波，则调整检波门限值，重复步骤1-4，直至查找到所述的多次液面回波为止。

进一步地，所述在接收的对面罐壁回波信号中查找超过设定检波门限的多次对面罐壁回波的过程包括以下步骤：

步骤1，对对面罐壁回波信号进行处理得到回波包络信号，并确定超声波脉冲信号的发射时刻，记为T0，

步骤2，将对面罐壁回波包络信号与设定的检波门限进行比较，确定回波包络信号中从T0时刻后第一个超过检波门限的回波上升沿的时刻T1，并记T0时刻与T1时刻之间的间隔时间为ΔT；

步骤3，在距离T1时刻位置n倍ΔT的后续时刻查找是否存在超过设定检波门限的多次回波，n＝1,2,……；

步骤4，若存在一个以上的多次回波，则查找到所述的多次对面罐壁回波，并记ΔT为对面罐壁回波时延ΔT2；

步骤5，若不存在一个以上的多次回波，则调整检波门限值，重复步骤1-4，直至查找到所述的多次对面罐壁回波为止。

进一步地，所述液位高度确定的方法为：

其中，L为校准装置所在的罐体壁位置与对面相同高度的罐体壁位置之间的距离，ΔT1为液面回波时延，ΔT2为对面罐壁回波时延。

进一步地，还包括温度检测装置，安装于罐体壁上，用于测量罐体内液体的温度并将所测的温度输出至主机；

当液位低于校准装置安装高度时，所述主机根据液体的温度依据介质特性和温度补偿公式修正当前声速得到准确声速V、根据液面回波时延和准确声速确定液位高度，所述当前声速为上一次液位高度高于校准装置时确定的声速或人工设定的声速。

进一步地，所述液位高度H确定的方法为：H＝V*ΔT1/2，V为准确声速，ΔT1为液面回波时延。

进一步地，所述温度检测装置集成于测量装置内部。

进一步地，所述主机包括

控制模块，用于向发射驱动电路发出控制测量装置和校准装置的控制信号、向切换开关发出切换信号，用于根据接收的信号确定液位高度；

发射驱动电路，用于对控制信号进行放大处理后发送至切换开关；

切换开关，用于根据接收的控制信号驱动测量装置和校准装置在发射超声波脉冲信号和接收回波信号之间转换，根据接收的切换信号在发射控制信号和接收回波信号之间进行切换；

信号采集电路，用于在切换开关切换到接收信号时，接收测量装置和校准装置接收的回波信号。

进一步地，所述主机还包括LCD显示屏，用于显示设备状态信息和液位高度。

更进一步地，所述控制模块上设有用于数据输出的RS485通信接口和4-20mA电流环接口。

本发明液位检测系统采用多次回波判定的方法确定真实液位回波，极大提高了液位判断的准确性；采用自主式校准和温度补偿两种校准方式，大幅提高声速精度，从而使设备适用于绝大部分介质的液罐，获得毫米级的液位测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的原理框图。

图3为多次回波在罐体内的传播示意图。

图4为包含混响和多径信号的实际波形。

图5为多次回波示意图。

图6为回波检波示意图。

图中：1-主机；2、测量装置；3-校准装置；4-温度检测装置；5-控制模块；6-发射驱动电路；7-切换开关；8-信号采集电路；9-LCD显示屏；10-RS485通信接口；11-4-20mA电流环接口；12-存储模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1、图2所示，本发明包括

测量装置2，安装于罐体13底部，用于根据主机的控制信号发射超声波脉冲信号或接收液面回波信号、用于将液面回波信号输出至主机。

校准装置3，安装于罐体13侧面外壁上，高度为液罐的侧面液位经常覆盖的高度，用于在罐体液位高度高于校准装置安装高度时，根据主机的控制信号发射超声波脉冲信号或接收对面罐壁回波信号、用于将对面罐壁回波信号输出至主机。测量装置和校准装置为常规的测量探头和校准探头。

温度检测装置4，安装于罐体壁上，用于测量罐体内液体的温度并将所测的温度输出至主机；优选的温度检测装置可以集成于测量装置内部，即安装于罐体底部。

主机1，用于向测量装置发出发射超声波脉冲或接收液面回波的控制信号、在接收的液面回波信号中查找超过设定检波门限的多次液面回波、根据多次液面回波之间的时间间隔确定液面回波时延ΔT1；

用于在罐体液位高度高于校准装置安装高度时向校准装置发出发射超声波脉冲或接收对面罐壁回波的控制信号、在接收的对面罐壁回波信号中查找超过设定检波门限的多次对面罐壁回波、根据多次对面罐壁回波之间的时间间隔确定对面罐壁回波时延ΔT2；用于在罐体液位高度高于校准装置安装高度时根据液面回波时延ΔT1和对面罐壁回波时延ΔT2确定液位高度H：

其中，L为校准装置所在的罐体壁位置与对面相同高度的罐体壁位置之间的距离，ΔT1为液面回波时延，ΔT2为对面罐壁回波时延。

用于在罐体液位高度低于校准装置安装高度时根据罐体内液体的温度依据介质特性和温度补偿公式修正当前声速得到准确声速V、根据液面回波时延和准确声速确定液位高度H：H＝V*ΔT1/2，V为准确声速，ΔT1为液面回波时延。所述当前声速为上一次液位高度高于校准装置时确定的声速V＝2L/ΔT2或人工设定的声速。

测量装置紧贴于罐体底部，校准装置紧贴于罐体外部的侧面液位经常覆盖的高度，主机安装于罐体旁边，温度检测装置实时测量液罐温度。测量装置和校准装置在主机控制下，向罐体内部发射超声波脉冲信号。测量装置从底部往液面发射垂直信号，测量液面回波时延。当液面超过校准装置所安装的高度时，校准装置从侧面往对面罐壁发射水平信号，测量对面罐壁回波时延。当液位高度超过校准装置高度时，主机根据事先输入的安装处罐体的直径，获得实时声速，并将该声速与测量装置所测的液面回波时延组合，利用多次回波检测，计算精确液位。当液位高度低于校准装置安装高度时，主机根据温度测量装置测量到的罐体温度，通过现有的数据模型对之前校准装置测量的声速进行修正，计算精确液位。本发明液位测量系统采用了多次回波判定，极大提高了液位判断的准确性；采用自主式校准和温度补偿两种校准方式，大幅提高声速精度，从而使设备适用与绝大部分介质的液罐，获得毫米级的液位测量精度。

上述方案中，主机1包括

控制模块5，用于向发射驱动电路发出控制测量装置和校准装置的控制信号、向切换开关发出切换信号，用于根据接收的信号确定液位高度；控制模块上设有用于数据输出的RS485通信接口10和4-20mA电流环接口11。

发射驱动电路6，用于对控制信号进行放大处理后发送至切换开关；

切换开关7，用于根据接收的控制信号驱动测量装置和校准装置在发射超声波脉冲信号和接收回波信号之间转换，根据接收的切换信号在发射控制信号和接收回波信号之间进行切换；

信号采集电路8，用于在切换开关切换到接收信号时，接收测量装置和校准装置接收的回波信号。

LCD显示屏9，用于显示设备状态信息和最终液位测量结果。

存储模块12，用于存储数据。

上述方案中，如图6所示，在接收的液面回波信号中查找超过设定检波门限的多次液面回波(即确定真实液位的液面回波信号)的过程包括以下步骤：

步骤1，对液面回波信号进行处理得到回波包络信号，并确定超声波脉冲信号的发射时刻，记为t0，

步骤2，将回波包络信号与设定的检波门限进行比较，确定回波包络信号中从t0时刻后(即离开发射波形后)第一个超过检波门限的回波上升沿的时刻t1，并记t0时刻与t1时刻之间的间隔时间为Δt；

步骤3，在距离t1时刻位置n(n为1,2，……)倍Δt的后续时刻查找是否存在超过设定检波门限的多次回波，例如时刻t2；

步骤4，若存在一个以上的多次回波，则查找到所述的多次液面回波(即可确认t2时刻的波形为真实液位的回波信号)，并记Δt为液面回波时延ΔT1；

步骤5，若不存在一个以上的多次回波，则调整检波门限值，重复步骤1-4，直至查找到所述的多次液面回波为止。

上述方案中，在接收的对面罐壁回波信号中查找超过设定检波门限的多次对面罐壁回波(即确定真实液位的对面罐壁回波信号)的过程包括以下步骤：

步骤1，对对面罐壁回波信号进行处理得到回波包络信号，并确定超声波脉冲信号的发射时刻，记为T0，

步骤2，将对面罐壁回波包络信号与设定的检波门限进行比较，确定回波包络信号中从T0时刻后第一个超过检波门限的回波上升沿的时刻T1，并记T0时刻与T1时刻之间的间隔时间为ΔT；

步骤3，在距离T1时刻位置n倍ΔT的后续时刻查找是否存在超过设定检波门限的多次回波；

步骤4，若存在一个以上的多次回波，则查找到所述的多次对面罐壁回波，并记ΔT为对面罐壁回波时延ΔT2；

步骤5，若不存在一个以上的多次回波，则调整检波门限值，重复步骤1-4，直至查找到所述的多次对面罐壁回波为止。

测量装置从罐体底部发射的超声波脉冲信号，信号垂直往上传播，到达液面后反射，反射信号垂直往下传播到达测量装置，形成一次回波，接着在罐底发生反射，再次垂直往上传播，直到液面后发射第二次反射，这样往复传播在测量装置处形成多次回波，直到能量消耗完，如图3、图4所示；由于超声波在罐体上的传播速度通常比液体内快，超声波信号沿着罐体传播的回波往往先于液面回波到达，且液体内由于密度经常不均匀，存在较严重的混响，对检测真实的回波造成干扰，如图5所示，简单依据最先到达的回波判断液位高度极容易出错。因此本发明采用多次回波的判定方法，能够准确的检测出回波。

本发明液位检测系统检测液位的具体过程如下：

测量装置紧贴罐体底部，校准装置紧贴于罐体侧面，在主机中设定校准装置所在安装位置罐体或壁位置与对面相同高度的罐体壁位置之间的距离L，以及此时声速。

测量装置在主机控制下向罐内发射超声波脉冲信号，然后接收液面回波信号；此时主机接收的信号如图5所示。主机接收到测量装置的信号后，对接收的信号进行自动增益放大，然后进行滤波去除杂波，对信号进行检波，获取完整的回波包络，如图6所示，根据上述确定真实液位的液面回波信号的方法确定液面回波时延ΔT1。

当液面超过校准装置安装高度时，主机开启校准装置发射超声波脉冲信号，然后接收对面罐壁回波信号，对接收的信号进行自动增益放大，然后进行滤波去除杂波，对信号进行检波，获取完整的回波包络，根据上述确定真实液位的对面罐壁回波信号的方法确定对面罐壁回波时延ΔT2，然后根据公式计算准确声速V＝2L/ΔT2，并保存此时温度检测装置检测的液体温度。

当液面低于校准装置安装高度时，关闭装置探头，启动温度修正程序，以上一次液位高度高于校准装置时确定的当前声速或人工设定的声速为标准，依据介质特性和温度补偿公式，对当前声速或设定的声速进行修正获取准确声速V。

利用上述得到的液面回波时延ΔT1和测量或修正的准确声速V，计算准确的液位高度H＝V*ΔT1/2。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：包括

测量装置，安装于罐体底部，用于根据主机的控制信号发射超声波脉冲信号或接收液面回波信号、用于将液面回波信号输出至主机；

校准装置，安装于罐体侧面外壁上，用于根据主机的控制信号发射超声波脉冲信号或接收对面罐壁回波信号、用于将对面罐壁回波信号输出至主机；

主机，用于向测量装置发出发射超声波脉或接收液面回波的控制信号、在接收的液面回波信号中查找超过设定检波门限的多次液面回波、根据多次液面回波之间的时间间隔确定液面回波时延ΔT1；

用于在罐体液位高度高于校准装置安装高度时向校准装置发出发射超声波脉或接收对面罐壁回波的控制信号、在接收的对面罐壁回波信号中查找超过设定检波门限的多次对面罐壁回波、根据多次对面罐壁回波之间的时间间隔确定对面罐壁回波时延ΔT2；

用于根据液面回波时延ΔT1和对面罐壁回波时延ΔT2确定液位高度H。

2.根据权利要求1所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于，所述在接收的液面回波信号中查找超过设定检波门限的多次液面回波的过程包括以下步骤：

步骤1，对液面回波信号进行处理得到回波包络信号，并确定超声波脉冲信号的发射时刻，记为t0，

步骤2，将回波包络信号与设定的检波门限进行比较，确定回波包络信号中从t0时刻后第一个超过检波门限的回波上升沿的时刻t1，并记t0时刻与t1时刻之间的间隔时间为Δt；

步骤3，在距离t1时刻位置n倍Δt的后续时刻查找是否存在超过设定检波门限的多次回波，n＝1,2,……；

步骤4，若存在一个以上的多次回波，则查找到所述的多次液面回波，并记Δt为液面回波时延ΔT1；

步骤5，若不存在一个以上的多次回波，则调整检波门限值，重复步骤1-4，直至查找到所述的多次液面回波为止。

3.根据权利要求1所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于，所述在接收的对面罐壁回波信号中查找超过设定检波门限的多次对面罐壁回波的过程包括以下步骤：

步骤1，对对面罐壁回波信号进行处理得到回波包络信号，并确定超声波脉冲信号的发射时刻，记为T0，

步骤2，将对面罐壁回波包络信号与设定的检波门限进行比较，确定回波包络信号中从T0时刻后第一个超过检波门限的回波上升沿的时刻T1，并记T0时刻与T1时刻之间的间隔时间为ΔT；

步骤3，在距离T1时刻位置n倍ΔT的后续时刻查找是否存在超过设定检波门限的多次回波，n＝1,2,……；

步骤4，若存在一个以上的多次回波，则查找到所述的多次对面罐壁回波，并记ΔT为对面罐壁回波时延ΔT2；

步骤5，若不存在一个以上的多次回波，则改变检波门限值，重复步骤1-4，直至查找到所述的多次对面罐壁回波为止。

4.根据权利要求1所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：所述液位高度确定的方法为：

其中，L为校准装置所在的罐体壁位置与对面相同高度的罐体壁位置之间的距离，ΔT1为液面回波时延，ΔT2为对面罐壁回波时延。

5.根据权利要求1所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：还包括温度检测装置，安装于罐体壁上，用于测量罐体内液体的温度并将所测的温度输出至主机；

当液位低于校准装置安装高度时，所述主机根据液体的温度依据介质特性和温度补偿公式修正当前声速得到准确声速V、根据液面回波时延和准确声速确定液位高度，所述当前声速为上一次液位高度高于校准装置时确定的声速或人工设定的声速。

6.根据权利要求5所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：所述液位高度H确定的方法为：H＝V*ΔT1/2，V为准确声速，ΔT1为液面回波时延。

7.根据权利要求5所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：所述温度检测装置集成于测量装置内部。

8.根据权利要求1所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：所述主机包括

控制模块，用于向发射驱动电路发出控制测量装置和校准装置的控制信号、向切换开关发出切换信号，用于根据接收的信号确定液位高度；

发射驱动电路，用于对控制信号进行放大处理后发送至切换开关；

切换开关，用于根据接收的控制信号驱动测量装置和校准装置在发射超声波脉冲信号和接收回波信号之间转换，根据接收的切换信号在发射控制信号和接收回波信号之间进行切换；

信号采集电路，用于在切换开关切换到接收信号时，接收测量装置和校准装置接收的回波信号。

9.根据权利要求8所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：所述主机还包括LCD显示屏，用于显示设备状态信息和液位高度。

10.根据权利要求8所述的基于多次回波检测的外贴式超声波液位检测系统，其特征在于：所述控制模块上设有用于数据输出的RS485通信接口和4-20mA电流环接口。

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