CN112284493A - 一种液位测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种液位测量的方法及装置，包括，多频超声换能器，信号处理电路，传输电路，接口电路，电源电路，MCU处理器，所述多频超声换能器发射或接收多个中心频率的超声波信号，并将发射或接收到的超声波信号转换为电信号；所述电信号经过信号处理电路和接口电路到达MCU处理器，MCU处理器根据接收信号的特性计算并输出最终的液位测量结果。本发明综合不同频率的超声探测特性，能在不同的场景下测量出较高精度的结果。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种液位测量的方法及装置。
背景技术
超声液位计是非接触测量中发展最快的一种仪表。它基于超声波在被测物体表面产生反射的原理，以及所测距离与时间的函数关系，实现距离的测量。超声液位计具有测量范围宽、测量不受介质密度和介电常数的影响等优点，适用于气体、液体或固体等多种测量介质，适用范围广泛，包括水渠、油罐、气罐等多种不同场合，还可以应用于粘稠、腐蚀性以及有毒液体等液位测量。
如图1所示，根据超声波液位计探测水位的原理，发射超声波的频率决定了其关键性能：频率越高，超声波的穿透性越弱，传播的衰减大，测量距离短，但是由于波长更短，测量的精度较高，测量的盲区也较小；反之，频率越低，超声波的穿透性越强，传播衰减小，测量距离长，但是由于波长更长，最终的测量精度相比之下较低，测量的盲区也比较大。
而超声波液位计在现实场景中使用时，往往既需要较强的穿透性，以穿过超声波传播途中的遮挡物，也需要比较高的测量精度和较小的盲区。在传统的超声波液位计中由于超声波的频率是固定不变的，无法实现复杂测量场景下测量精度和较小盲区的兼顾，因为一旦超声波液位计的超声频率固定，其对应的盲区、精度及穿透性就固定了，从而导致液位测量的不准确。
针对上述问题，现在需要一种能够综合不同频率的超声探测特性的测量方法，使工作人员能在不同的场景下测量出较高精度的结果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种液位测量的方法及装置。
本发明的技术方案如下：
一种液位测量装置，包括，多频超声换能器，信号处理电路，传输电路，接口电路，电源电路，MCU处理器，所述多频超声换能器发射或接收多个中心频率的超声波信号，并将发射或接收到的超声波信号转换为电信号；所述电信号经过信号处理电路和接口电路到达MCU处理器，MCU处理器根据接收信号的特性计算并输出最终的液位测量结果；所述电源电路为整个系统供电。
进一步的，所述多频超声换能器中包括控制单元、超声波发射模块、触发信号接收模块、发射电路和接收电路，所述超声波发射模块与所述控制单元通过发射电路连接；所述触发信号接收模块与所述控制单元通过接收电路连接；所述控制单元通过电路的通断从而控制超声波发射模块或触发信号接收模块的工作状态，所述超声波发射模块用于发射超声波，所述触发信号接收模块用于接收MCU处理器发送的触发信号。
进一步的，所述传输电路外接显示屏或终端设备，目的是将MCU处理器中得到的液位信息通过接口电路和传输电路输入到显示屏或终端设备进行显示。
进一步的，所述传输电路选用通信接口或通信电路。
进一步的，所述多频超声换能器受MCU处理器发送的触发信号工作。
进一步的，MCU处理器与多频超声换能器之间传输的信号经过信号处理电路进行幅度和波形上的转换，用于将MCU处理器端发送的信号转变为激励超声换能器的信号形式，或将超声换能器端的信号转换为MCU处理器能够识别的形式。
进一步的，所述信号处理电路包括波形整形电路。
一种液位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.启动多频超声换能器的发射电路，开始液位测量；
S2.配置MCU处理器的脉冲波形产生单元，产生一个频率为f1的超声波激励信号，该超声波激励信号经过信号处理电路到达多频超声换能器，多频超声换能器向待测液体发射超声波信号；
S3.将多频超声换能器切换到接收电路，等待接收待测液体反射回来的超声波回波信号；
S4.超声波回波信号到达多频超声换能器，测量超声波信号发射到超声波回波信号返回的时间T1、超声波回波信号的幅度值A1以及超声波回波信号振动拖尾长度值L1，根据测量数据得到第一组频率f1对应的回波测量结果R1；
S5.判断多频超声换能器的所有频率激励信号是否发送完毕，如果已发送完毕，则执行步骤S6；若没有发送完毕，则启动多频超声换能器的发射电路，返回步骤S2发送下一组频率的激励信号，直至n个频率激励信号全部发送完毕，得到n个频率对应的回波测量结果R1,R2,R3…Rn，并将回波测量结果发送至MCU处理器；
S6.MCU处理器利用测量算法计算并输出最终的液位测量值，完成一次液位测量过程。
进一步的，步骤S6中，MCU处理器利用测量算法计算并输出最终的液位测量值，具体过程如下：
S61.MCU处理器将n个超声频率得到的回波测量结果R1,R2,R3…Rn组合成一次测量的多频回波特征向量组S，其中，多频回波特征向量组S的表达形式如下：
S62.根据多频回波特征向量组S从场景模型库中匹配场景模型，根据场景模型计算最终的液位测量值并输出。所述场景模型库中包括不同测量场景下根据测量特征训练好的模型，这些模型的作用是：通过输入的回波特征向量组S对比已知的场景模型库，预测当前的测量场景，根据当前的测量场景计算并输出最终的液位测量值。
本发明的有益效果：
本发明提出的多频超声波液位计测量装置可以根据不同测量场景切换测量频率，能在复杂测量场景下提升测量精度的同时，又有较小的盲区性能，实现了提高测量精度和减小盲区的兼顾；本发明提出的多频超声波液位计测量方法，首先进行多频测量得到多个频率的结果，确定当前测量场景，从场景模型库中选取该场景适合的频率测量结果，能达到同时兼顾精度和盲区的效果；本发明方法通过从场景模型库中匹配场景模型，具备自动识别场景的功能，并且在不同场景下综合了高低频超声测量的优点，能够正确得到所需液位测量结果，相比于传统的单一频点超声波液位测量法，在实际场景应用中有较大的改进和优化效果。
附图说明
图1为本发明实施例的一种超声波液位测量原理示意图；
图2为本发明实施例的一种超声波液位测量硬件框图；
图3为本发明实施例的一种液位测量方法流程图；
图4为本发明实施例的一种液位测量算法框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，一种液位测量装置，包括，多频超声换能器，信号处理电路，传输电路，接口电路，电源电路，MCU处理器，所述多频超声换能器发射或接收多个中心频率的超声波信号，并将发射或接收到的超声波信号转换为电信号；所述电信号经过信号处理电路和接口电路到达MCU处理器，MCU处理器根据接收信号的特性计算并输出最终的液位测量结果；所述电源电路为整个系统供电；所述接口电路用于连接系统中各个模块之间的连接。
在一个实施例中，所述多频超声换能器中包括控制单元、超声波发射模块、触发信号接收模块、发射电路和接收电路。所述超声波发射模块与所述控制单元通过发射电路连接；所述触发信号接收模块与所述控制单元通过接收电路连接；所述控制单元通过电路的通断从而控制超声波发射模块或触发信号接收模块的工作状态，所述控制单元用于将超声波回波信号转换为电信号，并将处理后的电信号输入到信号处理电路中；所述超声波发射模块用于发射超声波，所述触发信号接收模块用于接收MCU处理器发送的触发信号。
可选的，发射电路与接收电路可以替换为双向开关使能电路，控制单元通过该双向开关使能电路控制与超声波发射模块、触发信号接收模块的连接，从而选择超声波发射模块或触发信号接收模块工作。控制单元可以控制双向开关使能电路搭载在超声波发射模块上，与超声波发射模块保持连接，与此同时控制单元与触发信号接收模块处于断开关系，此时超声波发射模块处于工作状态，发送一定频率的超声波；或者，控制单元可以控制双向开关使能电路搭载在触发信号接收模块上，与触发信号接收模块保持连接，与超声波发射模块断开，此时，触发信号接收模块工作，等待接收MCU处理器发送的触发信号。
进一步的，所述多频超声换能器受MCU处理器发送的触发信号开始工作，MCU处理器每发送一次触发信号，多频超声换能器向待测量液体发送一次超声波，进行一次液位测量。
所述信号处理电路包括波形整形电路。
在一个实施例中，MCU处理器与多频超声换能器之间传输的信号经过信号处理电路进行幅度和波形上的转换，信号处理电路主要用于将MCU处理器端发送的信号转变为激励超声换能器能够识别的信号形式，或者将超声换能器端的超声波回波电信号转换为MCU处理器能够识别的形式。
在一个实施例中，所述传输电路外接显示屏或终端设备，目的是将MCU处理器中得到的液位测量信息通过接口电路和传输电路输入到显示屏或终端设备进行显示。
可选的，所述传输电路选用通信接口或通信电路。
MCU处理器中包括脉冲波形产生单元，用于产生超声波激励信号(即触发信号)。
如图3-4所示，一种液位测量方法，包括以下步骤：
S1.启动多频超声换能器的发射电路，开始液位测量；
S2.配置MCU处理器的脉冲波形产生单元，产生一个频率为f1的激励信号，该激励信号经过信号处理电路到达多频超声换能器，多频超声换能器向待测液体发射超声波信号；
S3.将多频超声换能器切换到接收电路，等待接收待测液体反射回来的超声波回波信号；
S4.超声波回波信号到达多频超声换能器，测量信号发射到返回的时间T1、回波信号的幅度值A1以及回波信号振动拖尾长度值L1，根据测量数据得到第一组频率f1对应的回波测量结果R1；
S5.在多频超声换能器响应当前触发信号的过程中，MCU处理器可能已经发送了下一次触发信号，此时在后发送的触发信号按发送时间依次排队等候，待多频超声换能器完成当前触发信号的响应过程(触发信号的响应过程：多频超声换能器接收到转换后的触发信号，向待测液体发送超声波，等待接收待测液体反射回来的超声波回波信号，将超声波回波信号转换成回拨电信号，并将回波电信号发送给MCU处理器)后再响应排队等候中的触发信号，向待测液体发送下一次超声波。因此，当多频超声换能器完成依次触发信号的响应后，需要判断多频超声换能器的控制单元中是否还存在排队等候的频率激发信号，即判断多频超声换能器的所有频率激励信号是否发送完毕，如果已发送完毕，则执行步骤S6；若没有发送完毕，则启动超声换能器的发射电路，返回步骤S2发送下一组频率的激励信号，直至n个频率激励信号全部发送完毕，得到n个频率对应的回波测量结果R1,R2,R3…Rn，并将回波测量结果发送至MCU处理器；
S6.MCU处理器利用测量算法计算并输出最终的液位测量值，完成一次液位测量过程。
S61.MCU处理器将n个超声频率得到的回波测量结果R1,R2,R3…Rn组合成一次测量的多频回波特征向量组S，其中，多频回波特征向量组S的表达形式如下：
S62.根据多频回波特征向量组S从场景模型库中匹配场景模型，根据场景模型计算并输出最终的液位测量值。
场景模型库中包括在不同测量场景下根据测量特征训练好的模型，这些训练好的模型的作用是：根据输入的回波特征向量组S预测当前的测量场景，根据当前的测量场景计算并输出最终的液位测量值。具体地，匹配场景模型包括：通过输入的回波特征向量组S对比已知的场景模型库中的特征参数，若回波特征向量组S中的特征与某一场景模型中的参数差值小于设定阈值，则预测该场景模型所对应的场景为当前的实际测量场景，从场景模型库中选择该场景模型作为匹配的模型。
场景模型库中包括多种不同测量场景下的场景模型，例如：1.存在部分遮挡时的回波模型，这种情况下超声波探头被异物遮挡，此时低频超声波可以穿透遮盖物，而高频超声波不能，所以T1、T2、T3…之间会存在较大差异，这种差异就可以用来判断当前所处的测量场景；2.远距离时的回波模型，这种情况待测液体的距离与超声波探头距离较远，此时T1、T2、T3＞一个阈值，高频对应的A会较小；3……。通过输入的回波特征向量组S对比已知的场景模型库，预测当前的测量场景，再针对不同的测量场景，得到最终的液位测量值。
本发明的一种液位测量方法，与传统的单频超声波液位测量方法(分别取高频率与低频率两种)相比，其性能对比如下：
表1各种液位测量性能优劣对比
| 序号 | 场景 | 低频测量 | 高频测量 | 多频测量法 |
| 1 | 杂质遮挡 | √ | × | √ |
| 2 | 少量积水 | × | √ | √ |
| 3 | 长距离测量 | √ | × | √ |
| 4 | 测量精度 | 低 | 高 | 高 |
上表1列出了在实际液位测量时会遇到的几个场景，分别是：
场景1中，超声波探头被异物遮挡，此时低频率超声波可以穿透异物正常测量液位，而高频率超声波由于频率高，穿透性不如低频率，从而无法正确测量当前液位，本发明提出的多频测量法，可以识别当前场景，取高频率测量所得到的正确结果。
场景2中，只有少量积水，意味着液位高度值很小，需要超声换能器很小的盲区才能够正确检测到，而高频率超声换能器对应小的盲区，同理，本发明也可以正确得到测量结果，但是低频超声测量就无法在此场景下正确测量。
场景3，远距离测量需要超声波传输距离远，对应低频超声波，而高频测量不能得到正确结果。
场景4，高频超声波测量得到的距离分辨率精度更高，因此测量精度大于低频超声波测量法。
在以上几个场景中，本发明提出的多频超声波液位计测量方法，具备自动识别场景的功能，并且在不同场景下综合了高低频超声测量的优点，都能够正确的得到所需液位测量结果，较单一频点超声波液位测量法，在实际场景应用中有较大的改进和优化效果。
应当说明的是，除了本实施例说明的应用场景外，不限制其他可以应用的场景，例如本发明的一种液位测量装置和方法可用于超声波液位计等，可以应用到水渠、路面、河流等液位测量，也可以应用于储罐、容器等液位测量。
当介绍本申请的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。
在本实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。
需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-0nly Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种液位测量装置，包括，多频超声换能器，信号处理电路，传输电路，接口电路，电源电路，MCU处理器，其特征在于，所述多频超声换能器发射或接收多个中心频率的超声波信号，并将发射或接收到的超声波信号转换为电信号；所述电信号经过信号处理电路和接口电路到达MCU处理器，MCU处理器根据接收信号的特性计算并输出最终的液位测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种液位测量装置，其特征在于，所述多频超声换能器中包括控制单元、超声波发射模块、触发信号接收模块、发射电路和接收电路，所述超声波发射模块与所述控制单元通过发射电路连接；所述触发信号接收模块与所述控制单元通过接收电路连接；所述控制单元通过电路的通断从而控制超声波发射模块或触发信号接收模块的工作状态，所述超声波发射模块用于发射超声波，所述触发信号接收模块用于接收MCU处理器发送的触发信号。
3.根据权利要求1所述的一种液位测量装置，其特征在于，所述多频超声换能器受MCU处理器发送的触发信号工作。
4.根据权利要求3所述的一种液位测量装置，其特征在于，MCU处理器与多频超声换能器之间传输的信号经过信号处理电路进行幅度和波形上的转换，用于将MCU处理器端发送的信号转变为激励超声换能器的信号形式，或将超声换能器端的信号转换为MCU处理器能够识别的形式。
5.据权利要求4所述的一种液位测量装置，其特征在于，所述信号处理电路包括波形整形电路。
6.根据权利要求1所述的一种液位测量装置，其特征在于，所述传输电路外接显示屏或终端设备，目的是将MCU处理器中得到的液位信息通过接口电路和传输电路输入到显示屏或终端设备进行显示。
7.根据权利要求1所述的一种液位测量装置，其特征在于，所述传输电路选用通信接口或通信电路。
8.一种液位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.启动多频超声换能器的发射电路，开始液位测量；
S2.配置MCU处理器的脉冲波形产生单元，产生一个频率为f1的超声波激励信号，该超声波激励信号经过信号处理电路到达多频超声换能器，多频超声换能器向待测液体发射超声波信号；
S3.将多频超声换能器切换到接收电路，等待接收待测液体反射回来的超声波回波信号；
S4.超声波回波信号到达多频超声换能器，测量超声波信号发射到超声波回波信号返回的时间T1、超声波回波信号的幅度值A1以及超声波回波信号振动拖尾长度值L1，根据测量数据得到第一组频率f1对应的回波测量结果R1；
S5.判断多频超声换能器的所有频率激励信号是否发送完毕，如果已发送完毕，则执行步骤S6；若没有发送完毕，则启动多频超声换能器的发射电路，返回步骤S2发送下一组频率的激励信号，直至n个频率激励信号全部发送完毕，得到n个频率对应的回波测量结果R1,R2,R3…Rn，并将回波测量结果发送至MCU处理器；
S6.MCU处理器利用测量算法计算并输出最终的液位测量值，完成一次液位测量过程。
9.根据权利要求8所述的一种液位测量方法，其特征在于，步骤S6中，MCU处理器利用测量算法计算并输出最终的液位测量值，具体过程如下：
S61.MCU处理器将n个超声频率得到的回波测量结果R1,R2,R3…Rn组合成一次测量的多频回波特征向量组S，其中，多频回波特征向量组S的表达形式如下：
S62.根据多频回波特征向量组S从场景模型库中匹配场景模型，根据场景模型计算最终的液位测量值并输出。
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| CN112284493B (zh) | 2024-06-07 |
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