CN109084864A - 一种细长直管型超声波液位测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种细长直管型超声波液位测量装置，包括内表面光滑的测量管，此测量管的顶部敞口中间位置处固定有收发一体的超声波换能器，所述测量管上还设有过滤口，所述超声波换能器与CPU控制板相连，所述测量管的内径小于25mm。本发明还提供一种超声波液位测量方法。本发明具有易与当前的智能闸系统进行集成化，受测量环境影响较小，测量稳定性好，测量精度高等优点。

Description

一种细长直管型超声波液位测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及液位测量技术领域，尤其涉及一种适用于远程测控智能闸的细长直管型超声波液位测量装置及测量方法。

背景技术

远程测控智能闸具有远程测控、流量计量与分水控制等功能，是实现灌区全流域高效、科学调水的关键设备，有利于解决人工调水效率低下的问题。远程测控智能闸是通过实时测量闸门前后水位及开度来实现流量测量和分水控制的，其中水位测量传感器是其中的关键计量元件，是实现精确测量的基础。

现有的水位测量装置有投入式静压液位计、超声波液位计和雷达液位计。由于明渠中有淤泥和杂质，投入式静压液位计的测量口容易被堵塞，导致液位计失效，从而造成智能闸的失控，且压力传感器会受到零漂影响，需要定期校调以保持较高的精度。现有市面上的超声波和雷达液位计属于独立系统，体积大，对测量空间要求非常大，需要开放式的空旷的安装区域，无法集成嵌入到现有智能闸的机械本体内，不利于实现与控制闸门的一体化，为设备的现场安装和测量带来不便，而且这类水位传感器受环境影响较大，容易受到外界风力或沙尘的影响，需要进行定期的维护。

超声波探头发射的超声波具有一定的声束角，传统的测量方法是测量声束角范围内，距离超声波探头最近的反射物体的距离，而且测量对象是单一物体的单一回波信号。例如，公告号为CN202196170U的专利文献公开了一种用于狭小空间内的超声波测距装置，其可以控制超声波发射的角度，从而超声波传感器可以选择使用通用的超声波传感器，成本更低；可以有效阻止污水中漂浮物进入超声波测量空间，稳定测量结果，提高测量的精度；可以有效减小水泵启停对测量电路的电磁干扰影响，提高测量准确性，避免设备误动作。然而，该专利产品在工作时同样需要保证超声波发射传感器发出的超声波信号不能接触测量筒1的筒壁，而这就要求测量筒的内径远远超过超声波发射传感器的直径，即此产品所用测量方式只适用于大直径管道(管道直径大于超声波束角范围)，而在直径远小于长度的细长管道中，由于声束角的存在，有极大部分超声波会在到达目标液位时接触到管道内壁，形成的反射波会干扰液位信号的接收，这就决定了上述专利产品不能应用于细长管道的液位测量。

基于上述原因，对于当前的远程智能闸系统，需要一种易于集成安装，测量稳定，不易受外界环境干扰，并且能准确测量当前明渠液位的细长直管型液位测量新技术。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种细长直管型超声波液位测量装置及测量方法，具有易与当前的智能闸系统进行集成化，受测量环境影响较小，测量稳定性好，测量精度高等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明首先提供一种细长直管型超声波液位测量装置，包括内表面光滑的测量管，此测量管的顶部敞口中间位置处固定有收发一体的超声波换能器，所述测量管上还设有过滤口，所述超声波换能器与CPU控制板相连，所述测量管的内径小于25mm。

优选的，所述测量管的材质为不锈钢。

优选的，所述超声波换能器及CPU控制板设置在外壳内，此外壳以可拆卸方式固定设置在测量管的顶部敞口端。

优选的，所述外壳由壳体和防水盖组成。

本发明还提供一种超声波液位测量方法，包括如下步骤：

S1：将上述液位测量装置竖直固定于现有智能闸的机械本体上；

S2：获取换能器底面与测量管内部底面间的实际距离D；

S3：向测量管中加一定量水，并用测量尺测量测量管内的实际液位高度d₀；

S4：超声波换能器发射超声波信号并采集回波信号，并对回波信号进行处理，计算得到换能器底面与液面间的距离d，进而获得液位测量装置测量得到的测量液位高度H＝D-d；

S5：校正液位测量装置：运用公式d’＝H-d₀，得到实际液位高度与测量液位高度之间的差值d’，以此作为误差修正参数输入到CPU主控面板中；

S6：校正完毕，对重复步骤S4同时根据误差修正参数对实际水位进行测量。

其中，步骤S4中所述超声波换能器发射超声波信号并采集回波信号，并对回波信号进行处理，具体包括：

a.第一次发射超声波信号并将发射信号的时刻记为时间起点，将比较器输出高电平的时刻记为T，然后确定滞后时间T₀并确保收到超声波回波信号的初始时间点在区间(T-T₀，T)范围内；

b.第二次发射超声波信号并重新以发射此信号的时刻记为时间起点，然后对(T-T₀，T)时间区间内的回波信号以7或8倍于所发送超声波频率的采样频率进行采集；

c.对步骤b中采集的信号进行希尔伯特变换，获得所采集信号的包络曲线；

d.对步骤c中获得的包络曲线进行平滑滤波处理；

e.对经过步骤d处理后的信号进行求导，以获取步骤b中所采集的所有回波信号的极大值点，并计算各个极大值点对应的斜率；

f.对步骤e中获得的所有斜率求平均值并记为k_aver，以n*k_aver(n＝1.1～1.3)为阈值，在步骤e获得的所有斜率中筛选出大于此阈值的斜率，并在筛选出的斜率中选取相对应的最早接收到的极大值点，以此极值点的位置点为起点对步骤b中采集的信号进行过零检测，将最接近此极值点所在位置点的过零点作为搜索点；

g.利用方差比较法，以步骤f中的搜索点为起点，搜索步骤b中采集到的信号中的起始点，记录此起始点出现的时间点(即为发射信号与此回波信号起始点的时间差ΔT)；

h.根据温度传感器测得的温度t，利用公式对声速进行校正，最后通过公式计算出距离换能器底面与液面间的距离d。

本发明的积极效果：

1.体积小，相比现有技术极大缩小了其所需的安装空间，易与当前的智能闸系统进行集成化；

2.由于细长管道的截面较小，因此不易受到灌渠液面波动的影响，也可以有效阻止漂浮物进入测量管中，可以有效地提高液位测量精度，不易受外界沙尘和淤泥干扰；

3.本装置及方法对超声波换能器的发射束角要求不高，对大发射束角的超声波探头有较强的适应性，因此，有利于降低测量设备的成本。

4.本装置能够识别文中所述两类超声波回波，没有束角范围限制，只要测量管内径稍大于超声波换能器直径即可正确测量管道内液位。

附图说明

图1是实施例所述细长直管型超声波液位测量装置的结构示意图；

图2是超声波在测量管中的传播路径示意图；

图3是实施例所述细长直管型超声波液位测量装置的安装位置示意图；

图4为实施例所述CPU控制板的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

参照图1，本发明优选实施例提供一种细长直管型超声波液位测量装置，包括内表面光滑的不锈钢测量管13，此测量管13的顶部敞口中间位置处固定有收发一体的超声波换能器7，所述测量管13上还设有过滤口12，所述超声波换能器7通过信号线与CPU控制板11相连，所述测量管13的内径小于25mm。

所述超声波换能器7及CPU控制板11设置在外壳内，此外壳以可拆卸方式固定设置在测量管的顶部敞口端。具体的，所述外壳由壳体6和防水盖3组成。

壳体6底部中心处设计空心凸台，将收发一体的超声波换能器7放置其中，并用密封胶8密封，达到吸收换能器侧面超声波的目的，即收发一体超声波换能器的工作面为底面。超声波换能器7的上方为所述CPU控制板11，其通过第一螺钉10固定在壳体6上。防水盖3通过第二螺钉4和橡胶密封圈5，与壳体6进行配合，达到密封防水的目的。CPU控制板11的连接线1通过防水盖3中心的阶梯孔2接入，并用密封胶对其进行密封。传感器外壳与测量管间通过螺栓9进行定位固定。

所述CPU控制板11包括主控芯片、发射模块、放大及滤波电路模块、比较器，主控芯片上集成有DAC模块、ADC模块及PWM输出模块，其中比较器的两个输入端分别与DAC模块输出端及放大及滤波电路模块的输出端相连，比较器的输出端与ADC模块相连。

采用内表面光滑的不锈钢细长直管(直径小于25mm，长度2.5m以内)，可以减少超声波的漫反射，同时不锈钢管对声波有较好的汇聚作用。细长管道中的过滤口12(过滤口底端距离测量管底部3～5cm，顶端延伸到距测量管底部1/3处)起联通器和过滤杂物等作用，通过过滤口12与灌渠中的液位保持相同。

本实施例还提供一种超声波液位测量方法，包括如下步骤：

S1：将上述液位测量装置竖直固定于现有智能闸的机械本体上，具体的，可将其竖直固定于翻转型智能闸门的固定支撑柱中(如图3所示)；

S2：获取换能器底面与测量管内部底面间的实际距离D，具体的，用卷尺测量配套测量管的长度L，并将其数值输入主控制板中，由于测量管顶面到换能器底部的距离x为固定尺寸，出厂之前已设定于主控制板中，通过公式D＝L-x，得出换能器底部与测量管底面的距离D；在本实施例中，测量管的长度为2500mm，壳体6与测量管顶部的接触面(即测量管的顶面)到收发一体换能器底部的距离为30mm，则换能器底部与管道底部的距离为2470mm(忽略管道壁厚)，为该液位测量装置的最大量程；

S3：由于安装方式和位置的不同(若管道安装倾斜，即非严格垂直于水平面)，会使测量距离与实际距离产生系统误差，可以通过如下步骤修正系统误差。首先通过连通器原理，向测量管中加一定量水，并用测量尺测量测量管内的实际液位高度d₀；本实施例中，用卷尺测量管内实际液位高度为743mm；

S4：超声波换能器发射超声波信号并采集回波信号，并对回波信号进行处理，计算得到换能器底面与液面间的距离d，本实施例中所获得液位测量装置测量得到的测量液位高度H＝D-d＝2470mm-1724mm＝746mm；

S5：校正液位测量装置：运用公式d’＝H-d₀，得到实际液位高度与测量液位高度之间的差值d’＝746mm-743mm＝3mm，以此作为误差修正参数输入到CPU主控面板中；

S6：校正完毕，对重复步骤S4同时根据误差修正参数对实际水位进行测量，在其测量范围内其绝对误差可控制在±2mm内。

其中，步骤S4中所述超声波换能器发射超声波信号并采集回波信号，并对回波信号进行处理，具体包括：

a.第一次发射超声波信号(不同的超声波换能器其中心频率不同，一般用于测距的频率为40KHz)并将发射信号的时刻记为时间起点，将比较器输出高电平的时刻记为T(以未接收到回波信号时放大电路输出的电压值z₀为基准，由于外界干扰信号的影响，故设定高出基准值z₀5％～10％左右的电压值z为参考信号，比较器一端输入放大滤波电路的输出信号，另一端输入参考信号z，若放大器的输出信号出现回波，则其幅值y将大于z，比较器会输出高电平，即可以通过比较器的高低电平判断回波信号出现的时间区间)，然后确定滞后时间T₀(比较器输出高电平的时间并非回波信号初始到达时间，其有一个滞后时间T₀，而T₀会随着测量距离的改变而改变，具体可以采用如下方法确定T₀：以测量需要的最远量程为基准，设测量距离为L，根据公式t＝2L/c，其中c为声波速度，求出理论测量时间t₀，再将上述装置对此距离进行测试，得到超声波发出与捕获到高电平之间的时间差为t₁，根据T₀＝t₁-t₀得到T₀，可以保证初始回波信号在上述时间区间之内)并确保收到超声波回波信号的初始时间点在区间(T-T₀，T)范围内。本实施例中，对原始接收信号进行放大滤波处理，在未接收到超声波回波时，放大器输出为恒定的2.5V电压，当出现超声波回波信号时，信号的最大幅值会大于2.5V，为了消除外界干扰，故设定比较参考信号为2.6V恒定电压，当信号幅值大于2.6V时比较器会发出高电平，记录下该时刻为10242.3μs(从超声波发射时刻开始计时)，显然，在该时刻下，液位回波信号已经到达超声波换能器，然后确定滞后时间T₀为1800μs，则确定回波信号的起始点在区间(8442.3μs，10242.3μs)内。

b.第二次发射超声波信号并重新以发射此信号的时刻记为时间起点，然后对(T-T₀，T)时间区间内的回波信号以7或8倍于所发送超声波频率的采样频率进行采集；本实施例中，用600k的采样频率对(8442.3μs，10242.3μs)时间区间内的回波信号进行1024点的ADC采集(采用ADC采集用以将模拟信号转化为数字信号，1024点是离散化数据的表示方法，即在600K采样频率下，采集1024个数据点，表示[1024/600K]秒的时间)。

c.对步骤b中采集的信号进行希尔伯特变换，获得所采集信号的包络曲线；

d.对步骤c中获得的包络曲线进行平滑滤波处理；

e.对经过步骤d处理后的信号进行求导，以获取步骤b中所采集的所有回波信号的极大值点，并计算各个极大值点对应的斜率(根据求导后的数值判断的极大值，到达极大值前必为单调递增函数，到达后转变为单调递减函数，因此可以从极大值对应的位置开始向前搜索直到求导值出现第一个负数值停止，记录求导值的正值个数n，并将n个求导值相加得到Z，根据公式k＝Z/n，求得k，用其代表极大值对应的斜率)；

f.如图2所示，由于超声波换能器存在发射束角，不像激光一样具有较强的聚焦特性，因此同一时刻发出的超声波主要有两种传播路径，可大致分为两类：I类发射角与液面法线平行，不与管道内壁接触，为液位信号回波；II类发射角与液面的法线存在夹角，经过管道内壁的反射向前传播，为管壁反射回波。在相同介质中，I类信号传播路径比II类信号短，在时域上先于II类信号到达超声波换能器且I类信号回波能量(回波信号幅值)小于II类信号，根据这个特性，对步骤e中获得的所有斜率求平均值并记为k_aver，以n*k_aver(根据研究得出设定n＝1.1～1.3可以较好的去除回波采集区间内能量较低的杂波信号干扰)为阈值，在步骤e获得的所有斜率中筛选出大于此阈值的斜率，并在筛选出的斜率中选取相对应的最早接收到的极大值点，以此极大值点的位置点为起点对步骤b中采集的信号进行过零检测，将最接近此极值点所在位置点的过零点作为搜索点；本实施例中，斜率平均值为4.039，由于测量环境比较好，设定阈值为4.443，最先到达的极值点为液位回波信号极值点，本例中得到的极值点在采样点923处；以采样点923处的极值点为起点对采集的信号进行过0检测，得到采样点915为液位回波信号的过零点；

g.利用方差比较法，以步骤f中的搜索点(采样点915)为起点，搜索步骤b中采集到的信号中的起始点，记录此起始点出现的时间点(即为发射信号与此回波信号起始点的时间差ΔT)，在本实施例中ΔT为9.87ms。

h.根据温度传感器测得的温度t，利用公式对声速进行校正，最后通过公式计算出距离换能器底面与液面间的距离d。本实施例中，据温度传感器测得的当前温度为30.5℃，则超声波传播速度为349.465m/s，从而计算出液位距超声波传感器距离为1724mm，根据所测测量管的长度，得出液位高度为746mm。

本实施例提供的一种面向智能闸的细长直管超声波液位测量方法及装置，主要运用在对闸门前后的水位进行测量，再根据其控制闸门的开度，从而使明渠的水位达到理想的高度。

现有技术主要通过投入式压感传感器测量前后闸水位，其易受到淤泥影响，且由于传感器零漂特性，需要定期校正，具有较明显的弊端。

本发明较好地解决了上述问题，如图3所示，将翻转型闸门17的固定支撑柱14分为前后两部分，且分别设有第一液位测量装置15和第二液位测量装置16，并且这两部分别通过相应测量管的过滤口与明渠的闸前和闸后相连通，使测量管内的水位能随明渠水位的变化而变化，经过校正后即可完成对闸前和闸后水位的测量。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种细长直管型超声波液位测量装置，包括内表面光滑的测量管，此测量管的顶部敞口中间位置处固定有收发一体的超声波换能器，其特征在于：所述测量管上还设有过滤口，所述超声波换能器与CPU控制板相连，所述测量管的内径小于25mm。

2.根据权利要求1所述的一种细长直管型超声波液位测量装置，其特征在于：所述测量管的材质为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的一种细长直管型超声波液位测量装置，其特征在于：所述超声波换能器及CPU控制板设置在外壳内，此外壳以可拆卸方式固定设置在测量管的顶部敞口端。

4.根据权利要求3所述的一种细长直管型超声波液位测量装置，其特征在于：所述外壳由壳体和防水盖组成。

5.一种超声波液位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将权利要求1所述液位测量装置竖直固定于现有智能闸的机械本体上；

S2：获取换能器底面与测量管内部底面间的实际距离D；

S3：向测量管中加一定量水，并用测量尺测量测量管内的实际液位高度d₀；

S4：超声波换能器发射超声波信号并采集回波信号，并对回波信号进行处理，计算得到换能器底面与液面间的距离d，进而获得液位测量装置测量得到的测量液位高度H＝D-d；

S5：校正液位测量装置：运用公式d’＝H-d₀，得到实际液位高度与测量液位高度之间的差值d’，以此作为误差修正参数输入到CPU主控面板中；

S6：校正完毕，对重复步骤S4同时根据误差修正参数对实际水位进行测量。

6.根据权利要求5所述的一种超声波液位测量方法，其特征在于，步骤S4中所述超声波换能器发射超声波信号并采集回波信号，并对回波信号进行处理，具体包括：

a.第一次发射超声波信号并将发射信号的时刻记为时间起点，将比较器输出高电平的时刻记为T，然后确定滞后时间T₀并确保收到超声波回波信号的初始时间点在区间(T-T₀，T)范围内；

b.第二次发射超声波信号并重新以发射此信号的时刻记为时间起点，然后对(T-T₀，T)时间区间内的回波信号以7或8倍于所发送超声波频率的采样频率进行采集；

c.对步骤b中采集的信号进行希尔伯特变换，获得所采集信号的包络曲线；

d.对步骤c中获得的包络曲线进行平滑滤波处理；

e.对经过步骤d处理后的信号进行求导，以获取步骤b中所采集的所有回波信号的极大值点，并计算各个极大值点对应的斜率；

f.对步骤e中获得的所有斜率求平均值并记为k_aver，以n*k_aver(n＝1.1～1.3)为阈值，在步骤e获得的所有斜率中筛选出大于此阈值的斜率，并在筛选出的斜率中选取相对应的最早接收到的极大值点，以此极值点的位置点为起点对步骤b中采集的信号进行过零检测，将最接近此极值点所在位置点的过零点作为搜索点；

g.利用方差比较法，以步骤f中的搜索点为起点，搜索步骤b中采集到的信号中的起始点，记录此起始点出现的时间点(即为发射信号与此回波信号起始点的时间差ΔT)；

h.根据温度传感器测得的温度t，利用公式对声速进行校正，最后通过公式计算出距离换能器底面与液面间的距离d。