CN111637952A - 一种声学液位测量装置、系统及其方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种声学液位测量系统、装置及其方法与应用，包括与分析控制器相连的拾音器、装有排液管和通气管的箱体；拾音器安装在耳蜗管管内上端；耳蜗管开口向下插入到箱体内，且耳蜗管的下管口位于箱体满液位面所在的高度。其法包括满液位掩耳法或空间共振频率辨识法。所述系统和装置尤其适合高铁集便器中应用，即可判断是否达到满液位，又可实时监测液位。本发明技术方案的原理与日常经验相一致，因此是高度可靠的。本发明无需设置浮球式液位开关、光电感应开关或电阻式液位传感器等液位开关，比以往所用传感器要更强，本发明是以软件取代硬件可降低集便系统制造成本，所增声学传感器不与污物接触，大幅降低了维修工作量，从而降低应用成本。

Description

一种声学液位测量装置、系统及其方法与应用

技术领域

本发明涉及一种声学液位测量系统、装置及其方法与应用，尤其是涉及到高铁集便器污物箱液位测量，属于液位测量技术领域，。

背景技术

液位测量技术广泛应用于各种领域，如液体容器中的液位测量，而污水箱因其所盛污水的缘故，测量起来更加困难。或者说能够用于污水箱液位测量的技术可应用于其他液位测量，反之则未必可以，因此液位测量的难点在于污水的液位测量。以广泛应用于高铁、动车、客车、飞机等交通工具的真空集便系统为例，它具有良好的节水性和密封性，可大大减少列车的储水量，减轻了列车自重，提高了列车的运营经济性，因此被广泛应用。但真空集便器十多年来故障频发是目前污物箱液位传感器应用的现状；针对污物箱的维修环境和工作强度之高可想而知，解决这个问题刻不容缓。

围绕铁路客车污物箱的液位检测，业内人士用尽各种手段、尝试了各种方法，已经验证的方法有浮球式接触开关、浮球式磁性开关、电容式传感器和电阻式传感器等，还有正在验证或正准备验证的方法如超声波测距法、激光测距法、称重法等等；这种探索正不断循环、重复着。

已经被验证的方法：

（1）浮球式接触开关最早应用在25型客车污物箱内，工作原理是浮球固定在一根线缆上，浮球随液面上下浮动，依靠浮球内的金属滚珠或水银位置移动导通或断开电路触点实现通断，此类液位开关的浮球体积较大，浮球表面易粘挂污物，需要定期清理，检测液面高度误差大，更重要的是因为水银污染和检修困难等问题，该方案已被淘汰。

（2）取而代之的是浮球式磁性开关，依靠磁铁与干簧管的距离远近实现通断，尺寸有所减小，液面测量精度也有所改善，现在的动车组污物箱使用最多的是此类液位开关，因浮球体积较小，浮球受到的浮力较小，浮球表面受异物缠绕影响较大，因此常出现通断不良的现象。

（3）为避免浮球受异物缠绕影响，将浮球取消改成电容式传感器测量液位，进一步提高了测量精度，通过测量物质的介电常数不同实现通断，此方案已经批量装车试验，从售后服务状况看，电容传感器受污物粘挂的影响非常大，故障率比浮球式磁性开关没有明显改善，此方案并不成功。电极式液位开关，通过检测两个电极电阻值判断两电极间是否通过“水”相连接检测水位，此方法依然不能摆脱受污染而失灵的故障模式。

申请人发现以前所采用的方法都是探测液面；污物箱里的液体是粘稠的还混入了各种杂物，运动中的客车上液体表面是不平静的；由于污物箱里的液体粘稠有杂物，所以直接与液体接触的任何传感器均难以逃脱被污染命运；因为液体表面不平静，不与液体接触的直接测量液位的方法也不可能取得好的效果。

鉴于此，亟需提出一种能够克服以上不足的发明。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供了一种声学液位测量装置、系统及其方法与应用。

一种声学液位测量系统，其特征在于包括分析控制器、拾音器、耳蜗管、装有排液管和通气管的箱体；所述分析控制器与拾音器通过导线相连接；所述拾音器安装在耳蜗管管内上端；所述耳蜗管开口向下插入到箱体内并与箱体顶板连接成一体，且耳蜗管的下管口位于箱体满液位面所在的高度；所述排液管安装在箱体上部，其下管口位于满液位面以上的位置，所述通气管用于将箱体顶部空间与箱外大气相连通。

所述的通气管是自箱体底部通入箱体顶部。

当运用于高铁集便器时，上述系统即成为声学液位测量式真空集便系统，箱体即污物箱，排液管即排污管。

一种声学液位测量装置，包括分析控制器、拾音器、耳蜗管，所述分析控制器与所述拾音器通过导线相连接；所述拾音器安装在所述耳蜗管管内上端；

所述耳蜗管用于以开口向下的方式插入到箱体，且下管口位于箱体满液位面所在高度；所述箱体还带有排液管和连通箱体顶部空间与箱外大气的通气管。

当运用于高铁集便器时，上述系统即成为真空集便系统污物箱声学液位测量装置，箱体即污物箱，排液管即排污管。

本发明的测量方法包括满液位掩耳法或空间共振频率辨识法。

一、所述满液位掩耳法：依据当箱体液位未达到满液位面时，箱体内因注入液体流和气流或通气管口因高速运动所产生的气流在箱体内所产生的共鸣声会传入耳蜗管拾音器接收到的音量很高，当箱体液位达到满液位面时，液体将把耳蜗管开口完全封闭，箱体内所产生的共鸣声就不会传入耳蜗管，拾音器接收不到箱体的声音；

满液位掩耳法是将拾音器输出电平输入到控制器中由计算机根据试验过程中由空箱至满箱所测得实际噪声产生的电平值进行辨析，选择一个阈值K使其高于耳蜗管被液体封闭后电平值，低于耳蜗管未被液体封闭前电平值，便可判定箱体是否已满；

由于首先接收到耳蜗管未被液体封闭时的电平值，故阈值K可依据该电平值来设定，通常所述阈值K应取是选择该电平值的50%到70%之间的数值，当控制器识别到所接收的电平值降到前一时刻的上述范围、且低于阈值K时，则可判定污物箱已满。这个阈值可通过现场实验来确定上述范围内的K值。

二、所述空间共振频率辨识法，包括如下步骤：

步骤S1：通过所述排液管将液体注入箱体6，使所产生的声波在污物箱内产生共鸣声，同时启动拾音器3采集声波信号；尤其高铁集便系统中更是通过排液管在高压空气的推动下将液体连同高压空气一起注入箱体，所产生的共鸣声会更加明显，采用本方法是非常合适的；

步骤S2：列表：对所采集的声波信号实施频谱分析，找出频谱中最大值A所对应的频率Fi，Fi即为反应箱体内空间的共振频率；

箱体预满容积为V是已知的固定值，灰水体积是Vi，共振频率Fi与所述箱体内的液体体积Vi存在一种函数关系：

Vi=f(Fi)

所述箱体自空箱开始每注入单位体积V的液体，启动一次声波采集和频谱分析程序得到一个共振频率Fi，对所述箱体内液体的随机体积Vi所对应的Fi进行列表并存储到所述分析控制器的存储单元中;

其中，V为所述箱体预满状态下的液体体积，V=V/n，n为整数；Vi=V，0in；

步骤S3：查表：每当向箱体排液（包括清水，液包括灰水、便水等）时，所述分析控制器都会采集声波并找出相应的共振频率Fi，所述控制器根据共振频率Fi的数值查找所述存储单元中与之对应的所述箱体内随机体积Vi的值，即为所述箱体内液体的体积。

此外，在空间共振频率辨识法中，还可求取经验公式。

从向暖水瓶注水的声音变化可以判定：函数Vi=f(Fi)是连续、正相关函数；实测数据说明Vi和Fi近似线性，可以用一次函数Y=kX+b近似描述。

选取V空-F空和V满-F满两点

将上述数值代入至二元一次方程得：

V空=kF空+b；

V满=kF满+b；

求得k值和b值，进而求得经验公式Vi=kFi+b；其中，Vi灰水为所要求得的所述污物箱中的灰水体积，Fi特定箱体加入灰水体积Vi后的共振频率。

本发明技术方案的原理与日常经验相一致，因此是高度可靠的。

采用满箱液体封口隔音识别及箱体空间共振频谱辨识测量方法，污物箱无需在箱体上继续设置与污物接触的传感器；由于污物箱形状并不规则，单纯使用频谱分析方法很难精确测量污物箱内的液位；本发明使用的是两个方面的声学概念，一是满液位掩耳法（假如外界噪声很大我们捂住耳朵听到的噪声分贝数就会明显降低，安装在污物箱顶部开口向下、其内部装有拾音器的盲管，当液位到达管口时就相当于捂住耳朵）；另一个是空间共振频率辨识法(往暖瓶里灌水过程中我们可清晰地听到，由空至满发出声音的频率由低逐步升高，也就是说频率与液位有对应关系，运用频谱分析方法找到污物箱内空间的变化与共振频率间的关系就可以求得污物箱内的液位)，应当特别指出的是：本发明所采用的激励声源是向污物箱注入液体的声音和推动液体的气流声以及污物箱随列车高速运动在通气管口所产生的气流声，不需要在污物箱里加固定频率的声源；解决了现有技术在污物箱中设置液位开关存在的技术问题，鉴于对污物箱满液位测量精度要求高其他液位测试精度要求不很高的特征，本发明使用掩耳法保证满液位测量精度和可靠性，运用频率辨识（频谱分析法）测量污物箱未满箱时的液位，为真空集便系统提供参考液位测量；同时降低研发、生产和维护成本。

本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明采用声学原理对于污物箱液位实施测量，以分析共振频谱的方法求取渐变液位，无需设置浮球式液位开关、光电感应开关或电阻式液位传感器等液位开关，比以往所用传感器要更强、用掩耳法测量污物箱满液位准确可靠；正适用于污物箱在液位渐变过程中测量精度要求不高的需求。

2、本发明是以软件取代硬件可降低集便系统制造成本，所增声学传感器不与污物接触，大幅降低了维修工作量，从而降低应用成本。

附图说明

图1为本发明的总体结构图。

图2为共振选频曲线。

图3为液体体积Vi与共振频率Fi的相关条形图。

图中：1、控制器；2、拾音器；3、排液管；4、耳蜗管；5、通气管；6、箱体。

具体实施方式

如图1所示，一种声学液位测量系统，其特征是包括控制器1、拾音器2、耳蜗管4、装有排液管3和通气管5的箱体6；所述控制器1与拾音器2通过导线相连接；所述拾音器2安装在耳蜗管4管内上端；所述耳蜗管4开口向下插入到箱体6内并与箱体6顶板连接成一体，且耳蜗管4的下管口位于箱体6满液位面所在的高度；所述排液管3安装在箱体6上部，其下管口位于满液位面以上的位置；所述通气管5用于将箱体6顶部空间与箱外大气相连通。

所述的系统，其特征是所述的通气管5是自箱体6底部通入箱体6顶部。

一种声学液位测量装置，其特征是包括控制器1、拾音器2、耳蜗管4，所述控制器1与所述拾音器2通过导线相连接；所述拾音器2安装在所述耳蜗管4管内上端；

所述耳蜗管4用于以开口向下的方式插入到箱体6，且下管口位于箱体6满液位面所在高度；所述箱体6是带有排液管3和连通箱体6顶部空间与箱外大气的通气管5的容器。

所述的系统作为高铁集便器污物箱的应用。

所述的装置在测量高铁集便器污物箱液位中的应用。

本发明的方法涉及到图2、3所示的规律。

一种基于满液位掩耳法的声学液位测量方法，其特征是包括以下步骤：

1）将通气管5一端通入箱体6内腔顶部的空间，另一端与箱外大气相连通；

2）将排液管3自上方通入箱体6，且使其下管口位于预设的满液位面以上的位置；

3）将耳蜗管4插入到箱体6内预设的满液位高度面；将拾音器2安装在所述耳蜗管4管内上端；

4）采用满液位掩耳法判断是否达到满液位：

所述满液位掩耳法包括设置阈值步骤和实时监测步骤：

设置阈值步骤是以耳蜗管4未被液体浸没时的电平值来确定一个阈值K，该阈值K是选择上述电平值的50%到70%之间的数值；

实时监测步骤是通过所述排液管3将液体注入箱体6，所产生的声波在箱体6内产生共鸣声，同时启动拾音器3采集声波信号；当控制器1监测到拾音器2采集的电平值低于阈值K时，则判定箱体已满。

所述的方法在监测高铁集便器污物箱是否达到满液位中的应用。

一种基于空间共振频率的声学液位测量方法，其特征是包括以下步骤：

1）将通气管5一端通入箱体6内腔顶部的空间，另一端与箱外大气相连通；

2）将排液管3自上方通入箱体6，且使其下管口位于预设的满液位面以上的位置；

3）将耳蜗管4插入到箱体6内预设的满液位高度面；将拾音器2安装在所述耳蜗管4管内上端；

4）采用空间共振频率辨识法测量液位：

所述空间共振频率辨识法包括建立对应关系步骤和实时监测步骤：

建立对应关系步骤是通过所述排液管3将液体注入箱体6，使所产生的声波在箱体6内产生共鸣声，同时启动拾音器3持续采集一段声波信号；对所采集的一段声波信号实施频谱分析，找出最大幅值A所对应的频率Fi，Fi即反应该液位下箱体6内的共振频率；而找出不同液位下的箱体6内的共振频率，从而得到箱体6的液体体积与频率的对应关系，并将对应关系存储于控制器3中；

实时监测步骤是每当向所述箱体6排放液体时，所述控制器3根据采集到的实时频率通过上述对应关系查找与之最接近的Fi，并以该Fi所对应的体积作为此时的液体体积。

所述的基于空间共振频率的声学液位测量方法方法，其特征是上述建立对应关系的步骤中，是通过排液管3将单位体积V的液体逐次注入箱体6；箱体6预设的满液位容积V是已知的固定值，箱体6内的液体体积Vi与频率Fi存在一种对应关系；

V=V/n，n为正整数，0in， V为单位体积，则Vi=V×i；

所述箱体6自空箱开始每注入单位体积V的液体，拾音器3采集到一个频率Fi，从而建立一个基于单位体积V 的Vi与Fi对应关系，并将其存储于控制器1中。

所述的基于空间共振频率的声学液位测量方法方法，其特征是上述建立对应关系的步骤中，还包括以下步骤：

实测数据显示Vi和Fi近似线性关系，可以用一次函数近似描述；在所得的对应关系中任取数值不同的两对“体积—频率”数据用于建立一次函数，将该一次函数作为体积—频率的对应关系。

所述的基于空间共振频率的声学液位测量方法方法，其特征是所述数值不同的两对“体积—频率”数据是空箱时的数据V空-F空和达到满液位容量时的数据V满-F满，

令V空=kF空+b，V满=kF满+b，两式连立可得k、b

所得公式记为Vi=kFi+b，即以该一次函数作为体积—频率的对应关系。

所述的基于空间共振频率的声学液位测量方法方法在实时测量高铁集便器污物箱液位中的应用。

一种声学液位精准测量方法，其特征是包括以下步骤：

1）将通气管5一端通入箱体6内腔顶部的空间，另一端与箱外大气相连通；

2）将排液管3自上方通入箱体6，且使其下管口位于预设的满液位面以上的位置；

3）将耳蜗管4插入到箱体6内预设的满液位高度面；将拾音器2安装在所述耳蜗管4管内上端；

4）采用空间共振频率辨识法测量液位：

所述空间共振频率辨识法包括建立对应关系步骤和实时监测步骤：

建立对应关系步骤是通过所述排液管3将液体注入箱体6，使所产生的声波在箱体6内产生共鸣声，同时启动拾音器(3)持续采集一段声波信号；对所采集的一段声波信号实施频谱分析，找出最大幅值A所对应的频率Fi，Fi即反应该液位下箱体6内的共振频率；而找出不同液位下的箱体6内的共振频率，从而得到箱体6的液体体积与频率的对应关系，并将对应关系存储于控制器3中；

实时监测步骤是每当向所述箱体6排放液体时，所述控制器3根据采集到的实时频率通过上述对应关系查找与之最接近的Fi，并以该Fi所对应的体积作为此时的液体体积；

5）当采用空间共振频率辨识法测量液位并测到满液位时，再启用满液位掩耳法对是否达到满液位进行验证：

所述满液位掩耳法包括设置阈值步骤和实时监测步骤：

设置阈值步骤是以耳蜗管4未被液体浸没时的电平值来确定一个阈值K，该阈值K是选择上述电平值的50%到70%之间的数值；

实时监测步骤是通过所述排液管3将液体注入箱体6，所产生的声波在箱体6内产生共鸣声，同时启动拾音器3采集声波信号；当控制器1监测到拾音器2采集的电平值低于阈值K时，则判定箱体已满；

当空间共振频率辨识法和满液位掩耳法均判断达到满液位时，最终判断达到满液位，从而实现对液位的精准测量。

Claims (13)

1.一种声学液位测量系统，其特征是包括控制器（1）、拾音器（2）、耳蜗管（4）、装有排液管（3）和通气管（5）的箱体（6）；所述控制器（1）与拾音器（2）通过导线相连接；所述拾音器（2）安装在耳蜗管（4）管内上端；所述耳蜗管（4）开口向下插入到箱体（6）内并与箱体（6）顶板连接成一体，且耳蜗管（4）的下管口位于箱体（6）满液位面所在的高度；所述排液管（3）安装在箱体（6）上部，其下管口位于满液位面以上的位置；所述通气管（5）用于将箱体（6）顶部空间与箱外大气相连通。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是所述的通气管（5）是自箱体（6）底部通入箱体（6）顶部。

3.一种声学液位测量装置，其特征是包括控制器（1）、拾音器（2）、耳蜗管（4），所述控制器（1）与所述拾音器（2）通过导线相连接；所述拾音器（2）安装在所述耳蜗管（4）管内上端；

所述耳蜗管（4）用于以开口向下的方式插入到箱体（6），且下管口位于箱体（6）满液位面所在高度；所述箱体（6）是带有排液管（3）和连通箱体（6）顶部空间与箱外大气的通气管（5）的容器。

4.权利要求1所述的系统作为高铁集便器污物箱的应用。

5.权利要求3所述的装置在测量高铁集便器污物箱液位中的应用。

6.一种基于满液位掩耳法的声学液位测量方法，其特征是包括以下步骤：

1）将通气管（5）一端通入箱体（6）内腔顶部的空间，另一端与箱外大气相连通；

2）将排液管（3）自上方通入箱体（6），且使其下管口位于预设的满液位面以上的位置；

3）将耳蜗管（4）插入到箱体（6）内预设的满液位高度面；将拾音器（2）安装在所述耳蜗管（4）管内上端；

4）采用满液位掩耳法判断是否达到满液位：

所述满液位掩耳法包括设置阈值步骤和实时监测步骤：

设置阈值步骤是以耳蜗管（4）未被液体浸没时的电平值来确定一个阈值K，该阈值K是选择上述电平值的50%到70%之间的数值；

实时监测步骤是通过所述排液管（3）将液体注入箱体（6），所产生的声波在箱体（6）内产生共鸣声，同时启动拾音器（3）采集声波信号；当控制器（1）监测到拾音器（2）采集的电平值低于阈值K时，则判定箱体已满。

7.权利要求6所述的方法在监测高铁集便器污物箱是否达到满液位中的应用。

8.一种基于空间共振频率的声学液位测量方法，其特征是包括以下步骤：

1）将通气管（5）一端通入箱体（6）内腔顶部的空间，另一端与箱外大气相连通；

2）将排液管（3）自上方通入箱体（6），且使其下管口位于预设的满液位面以上的位置；

3）将耳蜗管（4）插入到箱体（6）内预设的满液位高度面；将拾音器（2）安装在所述耳蜗管（4）管内上端；

4）采用空间共振频率辨识法测量液位：

所述空间共振频率辨识法包括建立对应关系步骤和实时监测步骤：

建立对应关系步骤是：通过所述排液管(3)将液体注入箱体(6)，使所产生的声波在箱体(6)内产生共鸣声，同时启动拾音器(3)持续采集一段声波信号；对所采集的一段声波信号实施频谱分析，找出最大幅值A所对应的频率Fi，Fi即反应该液位下箱体(6)内的共振频率；进而找出不同液位下的箱体(6)内的共振频率，从而得到箱体(6)的液体体积与频率的对应关系，并将对应关系存储于控制器(3)中；

实时监测步骤是每当向所述箱体(6)排放液体时，所述控制器(3)根据采集到的实时频率通过上述对应关系查找与之最接近的Fi，并以该Fi所对应的体积作为此时的液体体积。

9.如权利要求8所述的方法，其特征是上述建立对应关系的步骤中，是通过排液管(3)将单位体积V的液体逐次注入箱体（6）；箱体（6）预设的满液位容积V是已知的固定值，箱体（6）内的液体体积Vi与频率Fi存在一种对应关系；

V=V/n，n为正整数，0in， V为单位体积，则Vi=V×i；

所述箱体(6)自空箱开始每注入单位体积V的液体，拾音器(3)采集到一个频率Fi，从而建立一个基于单位体积V 的Vi与Fi对应关系，并将其存储于控制器（3）中。

10.如权利要求9所述的方法，其特征是上述建立对应关系的步骤中，还包括以下步骤：

实测数据显示Vi和Fi近似线性关系，可以用一次函数近似描述；在所得的对应关系中任取数值不同的两对“体积—频率”数据用于建立一次函数，将该一次函数作为体积—频率的对应关系。

11.如权利要求10所述的方法，其特征是所述数值不同的两对“体积—频率”数据是空箱时的数据V空-F空和达到满液位容量时的数据V满-F满，

令V空=kF空+b，V满=kF满+b，两式连立可得k、b

所得公式记为Vi=kFi+b，即以该一次函数作为体积—频率的对应关系。

12.权利要求8所述的方法在实时测量高铁集便器污物箱液位中的应用。

13.一种声学液位精准测量方法，其特征是包括以下步骤：

1）将通气管（5）一端通入箱体（6）内腔顶部的空间，另一端与箱外大气相连通；

2）将排液管（3）自上方通入箱体（6），且使其下管口位于预设的满液位面以上的位置；

3）将耳蜗管（4）插入到箱体（6）内预设的满液位高度面；将拾音器（2）安装在所述耳蜗管（4）管内上端；

4）采用空间共振频率辨识法测量液位：

所述空间共振频率辨识法包括建立对应关系步骤和实时监测步骤：

建立对应关系步骤是：通过所述排液管(3)将液体注入箱体(6)，使所产生的声波在箱体(6)内产生共鸣声，同时启动拾音器(3)持续采集一段声波信号；对所采集的一段声波信号实施频谱分析，找出最大幅值A所对应的频率Fi，Fi即反应该液位下箱体(6)内的共振频率；进而找出不同液位下的箱体(6)内的共振频率，从而得到箱体(6)的液体体积与频率的对应关系，并将对应关系存储于控制器(3)中；

实时监测步骤是每当向所述箱体(6)排放液体时，所述控制器(3)根据采集到的实时频率通过上述对应关系查找与之最接近的Fi，并以该Fi所对应的体积作为此时的液体体积；

5）当采用空间共振频率辨识法测量液位并测到满液位时，再启用满液位掩耳法对是否达到满液位进行验证：

所述满液位掩耳法包括设置阈值步骤和实时监测步骤：

设置阈值步骤是以耳蜗管（4）未被液体浸没时的电平值来确定一个阈值K，该阈值K是选择上述电平值的50%到70%之间的数值；

实时监测步骤是通过所述排液管（3）将液体注入箱体（6），所产生的声波在箱体（6）内产生共鸣声，同时启动拾音器（3）采集声波信号；当控制器（1）监测到拾音器（2）采集的电平值低于阈值K时，则判定箱体已满；

当空间共振频率辨识法和满液位掩耳法均判断达到满液位时，最终判断达到满液位，从而实现对液位的精准测量。

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