CN111473840B - 一种波形识别型超声波液位计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波形识别型超声波液位计及其测量方法，波形识别型超声波液位计测量方法包括接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号，放大处理得到回波振荡信号，比较整理产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间；获取重复测量的多个第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据目标有效回波时间和当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。实现扫描全量程范围内的回波信号，分析确定正确的回波信号，保证数据的准确性，扩大了超声波液位计的应用范围。

Description

一种波形识别型超声波液位计及其测量方法

技术领域

本发明涉及液位测量技术领域，尤其涉及一种波形识别型超声波液位计及其测量方法。

背景技术

超声波液位计具有易安装、易维护、不与被测液体接触，使用寿命长的优点，因此在市政、工业、水利等领域受到了越来越广泛的应用，但是超声波液位计对应用环境要求比较高，由于超声波在测量过程中存在散射现象，因此超声波液位计在测量时容易测量到环境中的干扰物，从而产生错误测量数据，这一缺点制约着超声波液位计的进一步推广，是当前超声波液位计应用中面临的主要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波形识别型超声波液位计及其测量方法，旨在解决超声波液位计测量易受环境干扰物影响，产生错误测量数据，测量准确性降低的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种波形识别型超声波液位计测量方法，包括：

测量空气温度，得到空气温度值，并计算得到当前温度下对应的超声波声速值；

产生一组方波信号经放大处理后，向被测液面发射一束超声波，并同时启动计时记录超声波发送时间；

接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，得到回波振荡信号；

对所述回波振荡信号进行比较整理，产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间；

获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。

在一实施方式中，测量空气温度，得到空气温度值，并计算得到当前温度下对应的超声波声速值，具体包括：

获取空气温度值T和0℃时超声波在空气中的速度v₀计算当前温度下对应的超声波声速值v：

其中v₀＝331.45m/s。

在一实施方式中，接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，得到回波振荡信号，具体包括：

下一次对振荡信号的放大倍数大于上一次振荡信号的放大倍数，下一次的盲区距离大于上一次的盲区距离。

在一实施方式中，对所述回波振荡信号进行比较整理，产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间，具体包括：

回波信号电压大于比较器的比较门限电压时，产生脉冲，通过比较器将回波振荡信号整理为脉冲信号。

在一实施方式中，获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，具体包括：

获取重复测量的多个所述第一回波时间进行降序排列，选取排列在前的第一回波信号为有效回波信号。

在一实施方式中，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，具体包括：

获取多个所述第二回波时间求平均值得到目标有效回波时间。

在一实施方式中，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离，具体包括：

所述目标有效回波时间与所述当前温度下对应的超声波声速值的乘积除以2得到液位距离。

第二方面，本发明提供一种波形识别型超声波液位计，包括温度补偿模块、控制与计算模块、激励模块、发射换能模块、接收换能模块、回波处理模块和波形生成模块，所述温度补偿模块、所述控制与计算模块、所述激励模块与所述发射换能模块依次连接，所述波形生成模块、所述回波处理模块和所述接收换能模块依次与所述控制与计算模块连接；其中，

所述温度补偿模块，用于测量空气温度，得到空气温度值；

所述控制与计算模块，用于计算得到当前温度下对应的超声波声速值，并产生一组方波信号；

所述激励模块，用于放大处理方波信号，并发送至所述发射换能模块；

所述发射换能模块，用于接收放大处理后的方波信号，并向被测液面发射一束超声波；

所述控制与计算模块，还用于向被测液面发射一束超声波时同时启动计时记录超声波发送时间；

所述接收换能模块，用于接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号；

所述回波处理模块，用于接收所述振荡信号并进行放大处理，得到回波振荡信号；

所述波形生成模块，用于接收所述回波振荡信号，并进行比较整理，产生脉冲信号；

所述控制与计算模块，还用于接收所述脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间，获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。

本发明的一种波形识别型超声波液位计及其测量方法，通过获取测量的空气温度值计算得到超声波声速值；产生方波信号放大处理后，向被测液面发射一束超声波，记录超声波发送时间；接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号，放大处理得到回波振荡信号，比较整理产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间；获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。获取全量程范围内的回波信号，进行比较分析得到确定正确的回波信号，避免障碍物的干扰，保证了数据的准确性，提高了测量的准确性，扩大了超声波液位计的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种波形识别型超声波液位计测量方法的流程示意图；

图2是本发明波形识别型超声波液位计的结构示意图；

图3是本发明提供的示例示意图；

图4是放大倍数为100倍的测量波形示意图；

图5是放大倍数为200倍的测量波形示意图；

图6是放大倍数为400倍的测量波形示意图；

图7是放大倍数为800倍的测量波形示意图；

图8是放大倍数为1600倍的测量波形示意图；

图9是放大倍数为3200倍的测量波形示意图；

图中：100-波形识别型超声波液位计、10-温度补偿模块、20-控制与计算模块、30-激励模块、40-发射换能模块、50-接收换能模块、60-回波处理模块、70-波形生成模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

第一方面，请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种波形识别型超声波液位计测量方法的流程示意图，具体的，所述波形识别型超声波液位计测量方法可以包括以下步骤：

S101、测量空气温度，得到空气温度值，并计算得到当前温度下对应的超声波声速值；

本发明实施中，在液位距离测量开始后，首先由温度补偿模块10测量空气温度，根据温度与声速的公式计算当前温度下对应的超声波声速值v，温度与声速的公式为：

其中v₀＝331.45m/s，是0℃时超声波在空气中的速度。

S102、产生一组方波信号经放大处理后，向被测液面发射一束超声波，并同时启动计时记录超声波发送时间；

本发明实施中，控制与计算模块20产生一组方波信号经过激励模块30的放大后，发送给发射换能模块40，发射换能模块40向被测液面发射一束超声波，这时候控制与计算模块20启动计时。

S103、接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，得到回波振荡信号；

本发明实施中，当超声波遇到被测液面后产生反射，反射信号由接收换能模块50所接收，接收换能模块50在受到回波信号的刺激后，生成一束振荡信号，由回波处理模块60对振荡信号进行放大，信号放大倍数为x，其中多次测量中，下一次对振荡信号的放大倍数大于上一次振荡信号的放大倍数，下一次的盲区距离大于上一次的盲区距离。

S104、对所述回波振荡信号进行比较整理，产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间；

本发明实施中，波形生成模块70对回波振荡信号进行整理，当回波信号电压大于比较器门限电压时，会产生一个脉冲，通过比较器将回波振荡信号整理为脉冲信号，最后将脉冲信号发送给控制与计算模块20进行波形识别。

S105、获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。

本发明实施中，实验发现，当被测液面越近的时候，所需要的回波信号放大倍数越小，而被测液面越远的时候，所需要的回波信号放大倍数越大，但是当液面较远的时候，提高电路放大倍数会将近处的障碍物回波信号放大，从而产生错误测量数据，因此为了避免近处的障碍物产生干扰，在提高放大倍数的同时也提高测量盲区，可以有效的屏蔽障碍物的回波。假设超声波液位计的量程为r，根据公式

可以计算量程范围内的所有回波时间即最早回波时间至最大回波时间，控制与计算模块20对超声波发射后的最早回波时间至最大回波时间内的信号进行识别，当有回波脉冲时，记录脉冲的上升沿的时间t'即为第一回波时间，以上完成了一次测量，重复上述操作，重新发射一束超声波，将回波处理模块60的信号放大倍数提高了上一次的两倍，本次盲区距离也大于上次盲区距离，记录本次的回波脉冲的上升沿时间，重复以上过程测量n次，得到多个所述第一回波时间，在量程范围内，逐步提高放大倍数和盲区距离，获取重复测量的多个所述第一回波时间进行降序排列，在误差范围内，选取排列在前的第一回波信号为测量标的物信号，并记录首次得到该被测物信号时的回波信号为有效回波信号即放大倍数最小的信号为有效回波信号，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，即记录第一次得到该回波时的放大倍数，测量盲区距离，对测量标的范围进行重复测量，保持信号处理电路的放大倍数不变，重复测量多次，由控制与计算模块20记录脉冲回波时间，最终得到多个所述第二回波时间，获取多个所述第二回波时间求平均值得到目标有效回波时间。所述目标有效回波时间为

距离为L，根据距离等于时间乘以速度，则所述目标有效回波时间与所述当前温度下对应的超声波声速值的乘积除以2得到液位距离：

现详细说明如何得到测量标的，这个过程需要两步，第一步是通过覆盖全量程，完整的进行一次测量，得到所有回波中最大的一个；第二步是根据测量误差，去寻找虽不是最大回波，但实质上是由同一被测物产生的回波，是此被测物最早被测到的那个回波，所谓最早被测到，就是指放大倍数相对较小时测量到的。

本发明的波形识别型超声波液位计测量方法总体流程为首先液位计先把量程范围内的所有回波都检测一下即是重复测量得到多个所述第一回波时间具体过程，然后识别障碍物即是比较得到有效回波时间的具体过程，找到要测量的“标的”即是选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间的具体过程，然后在对于测量标的进行多次测量即是根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离，提高测量精度。

本发明的一种波形识别型超声波液位计测量方法，通过获取测量的空气温度值计算得到超声波声速值；产生方波信号放大处理后，向被测液面发射一束超声波，记录超声波发送时间；接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号，放大处理得到回波振荡信号，比较整理产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间；获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。获取全量程范围内的回波信号，进行比较分析得到确定正确的回波信号，避免障碍物的干扰，保证了数据的准确性，提高了测量的准确性，扩大了超声波液位计的应用范围。

第二方面，请参阅图2，本发明提供一种波形识别型超声波液位计100，包括温度补偿模块10、控制与计算模块20、激励模块30、发射换能模块40、接收换能模块50、回波处理模块60和波形生成模块70，所述温度补偿模块10、所述控制与计算模块20、所述激励模块30与所述发射换能模块40依次连接，所述波形生成模块70、所述回波处理模块60和所述接收换能模块50依次与所述控制与计算模块20连接；其中，

所述温度补偿模块10，用于测量空气温度，得到空气温度值；

所述控制与计算模块20，用于计算得到当前温度下对应的超声波声速值，并产生一组方波信号；

所述激励模块30，用于放大处理方波信号，并发送至所述发射换能模块40；

所述发射换能模块40为发射换能器，用于接收放大处理后的方波信号，并向被测液面发射一束超声波；

所述控制与计算模块20，还用于向被测液面发射一束超声波时同时启动计时记录超声波发送时间；

所述接收换能模块50为接收换能器，用于接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号；

所述回波处理模块60，用于接收所述振荡信号并进行放大处理，得到回波振荡信号；

所述波形生成模块70，用于接收所述回波振荡信号，并进行比较整理，产生脉冲信号；

所述控制与计算模块20，还用于接收所述脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间，获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。

本发明实施例中，具体内容请参阅第一方面的所述波形识别型超声波液位计测量方法的描述，此处不再赘述。

下面结合实例，对波形识别型超声波液位计100的工作原理，进行进一步的说明。请参阅图3，假设超声波液位计的量程r＝6米，测量误差为1％。在安装完成后，距离发射换能器和接收换能器1.2处存在一个障碍物，被测水面在距离发射换能器和接收换能器5.3米处。

1、温度补偿

液位计开启测量后，首先由温度补偿模块10测量空气温度，假设空气温度为25℃，则根据温度与声速的公式：

其中，v₀表示0℃时超声波在空气中的速度，v₀＝331.45m/s，T为温度。可以得到：

v₂₅即为温度补偿后在25℃时的声速。

计算在量程范围内，最大的回波时间为t_max：

2、确定测量标的

控制与计算模块20产生一束方波信号，经过超声波激励模块30后，发送给超声波发送换能器，超声波发送换能器向被测液面发射超声波，同时控制与计算模块20启动计时。请参阅图4，图4是放大倍数为100倍的测量波形示意图，在进行第一次测量时，回波处理模块60的放大倍数设置为100倍，盲区设置为r_d＝0，由于被测液面距离较远，回波较弱，而障碍物反射面积太小，也没能产生有效回波，因此在有效回波时间0～t_max范围内，并没有测量到有效数据。

请参阅图5，是放大倍数为200倍的测量波形示意图，在第二次测量时，将放大倍数提高为200倍，盲区设置为r_d＝1米，则根据公式

可以得到最小回波时间为t_d＝5.8ms，此时可以测量到障碍物，但是水面回波太弱，没能达到门限电压要求的高度，因此无法测量到水面。

请参阅图6，是放大倍数为400倍的测量波形示意图，第三次测量时，将放大倍数提高为400倍，盲区设置为r_d＝2米，则通过计算，可以得到t_d＝11.6ms，此时障碍物的回波已经在盲区范围内，不可测量，而液面的回波依然没有达到门限要求的高度，无法被测量到。

请参阅图7，是放大倍数为800倍的测量波形示意图，第四次测量时，放大倍数设置为800倍，盲区设置为r_d＝3米，通过计算可以得到t_d＝17.4ms，此时液面回波已达到门限要求，液面可以被测量到。

重复以上过程，分别将放大倍数设置为1600倍和3200倍进行测量，其对应的盲区分别为4米和5米。其测量波形分别如图8和图9所示。

各次的测量信息如表1所示：

表1

测量次数	回波放大倍数	设置盲区(m)	第一回波时间(ms)
				1	100	0	无
2	200	1	8.3
				3	400	2	无
4	800	3	30.5
				5	1600	4	30.6
6	3200	5	30.4

综合以上6次测量发现，最大的回波时间为第5次测量时的回波30.6ms，但是由于第4次和第6次的回波时间与第5次的偏差分别为0.3％和0.6％，均小于液位计1％的测量误差，因此认为这三次回波都是来源于同一被测物，因此回波是在第4次测量时出现的，即有效回波时间为30.6ms。

3、标的液面测量

将超声波液位计的回波处理模块60的放大倍数设置第四次测量时的800倍，盲区设置为3米，重复测量8次，测量得到的脉冲回波时间如表2所示：

表2

则对于8次测量结果求取平均，可得平均回波时间即目标有效回波时间为：

4、液位计算

根据所述目标有效回波时间与所述当前温度下对应的超声波声速值的乘积除以2可以得到液位距离为：

这样波形识别型超声波液位计100就完成了一次液位测量，确定了回波信号的正确数据，提高了测量的准确性，扩大了超声波液位计的应用范围。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种波形识别型超声波液位计测量方法，其特征在于，包括：

测量空气温度，得到空气温度值，并计算得到当前温度下对应的超声波声速值；

产生一组方波信号经放大处理后，向被测液面发射一束超声波，并同时启动计时记录超声波发送时间；

接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号，并对所述振荡信号进行放大处理，得到回波振荡信号；具体包括：

下一次对振荡信号的放大倍数大于上一次振荡信号的放大倍数，下一次的盲区距离大于上一次的盲区距离；

对所述回波振荡信号进行比较整理，产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间；

获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间即找到要测量的“标的”，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。

2.如权利要求1所述的波形识别型超声波液位计测量方法，其特征在于，测量空气温度，得到空气温度值，并计算得到当前温度下对应的超声波声速值，具体包括：

获取空气温度值T和0℃时超声波在空气中的速度v₀计算当前温度下对应的超声波声速值v：

其中v₀＝331.45m/s。

3.如权利要求1所述的波形识别型超声波液位计测量方法，其特征在于，对所述回波振荡信号进行比较整理，产生脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间，具体包括：

回波信号电压大于比较器的比较门限电压时，产生脉冲，通过比较器将回波振荡信号整理为脉冲信号。

4.如权利要求3所述的波形识别型超声波液位计测量方法，其特征在于，获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，具体包括：

获取重复测量的多个所述第一回波时间进行降序排列，选取排列在前的第一回波信号为有效回波信号。

5.如权利要求4所述的波形识别型超声波液位计测量方法，其特征在于，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，具体包括：

获取多个所述第二回波时间求平均值得到目标有效回波时间。

6.如权利要求5所述的波形识别型超声波液位计测量方法，其特征在于，根据所述目标有效回波时间和所述当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离，具体包括：

所述目标有效回波时间与所述当前温度下对应的超声波声速值的乘积除以2得到液位距离。

7.一种波形识别型超声波液位计，其特征在于，

包括温度补偿模块、控制与计算模块、激励模块、发射换能模块、接收换能模块、回波处理模块和波形生成模块，所述温度补偿模块、所述控制与计算模块、所述激励模块与所述发射换能模块依次连接，所述波形生成模块、所述回波处理模块和所述接收换能模块依次与所述控制与计算模块连接；其中，

所述温度补偿模块，用于测量空气温度，得到空气温度值；

所述控制与计算模块，用于计算得到当前温度下对应的超声波声速值，并产生一组方波信号；

所述激励模块，用于放大处理方波信号，并发送至所述发射换能模块；

所述发射换能模块，用于接收放大处理后的方波信号，并向被测液面发射一束超声波；

所述控制与计算模块，还用于向被测液面发射一束超声波时同时启动计时记录超声波发送时间；

所述接收换能模块，用于接收超声波遇到被测液面后产生的反射信号，受到回波信号的刺激后生成一束振荡信号；

所述回波处理模块，用于接收所述振荡信号并进行放大处理，得到回波振荡信号；

所述波形生成模块，用于接收所述回波振荡信号，并进行比较整理，产生脉冲信号；

所述控制与计算模块，还用于接收所述脉冲信号进行波形识别，计算得到第一回波时间，获取重复测量的多个所述第一回波时间，比较得到有效回波时间，选取所述有效回波时间对应的放大倍数和盲区保持不变重复测量得到多个第二回波时间，根据多个所述第二回波时间计算得到目标有效回波时间，根据所述目标有效回波时间和当前温度下对应的超声波声速值计算得到液位距离。

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