CN113551741B - 一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法 - Google Patents

一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,涉及液位测量技术领域,该方法的步骤为:1)在容器侧面定点位置安装超声探头并设置超声探测参数,设置好之后进行超声发送和接收回波信号;2)当容器内液体介质液位到达超声波探头区域内时,超声探头才会接收到回波信号,之后对接收到的回波信号进行处理。3)对有效探测区直径d的进行推导并计算;4)对的计算公式进行推导并计算;5)对的计算公式进行推导并计算;6)计算液面高度Hs。采用本发明的技术方案能够解决含有混合介质且内部腔体包含多夹层的密闭容器液位界面检测问题,采用超声探头外贴容器侧壁方式进行容器内液位界面测量。

Description

一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法
技术领域
本发明涉及液位测量技术领域,尤其涉及一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法。
背景技术
在工业生产中,常常会遇到密闭容器内具有高温、高压、易燃、强腐蚀性以及有毒等特性的多介质液位检测问题,液位检测技术有很多种:雷达法、光纤法等只能用于单介质液位的测量;多介质液位测量方法中,人工检尺法需现场接触式操作且精度不够,磁致伸缩法造价昂贵且易被高粘度液体附着失灵,分段电容阵列法制作工艺复杂、安装和维护成本高.作为一种非接触测量技术,超声波液位测量技术以低成本、高精度、稳定性好、易于维护等优点受到广泛青睐,并且发展迅速.但是,超声波液位测量过程受器件自身和工业现场等噪声的干扰比较大,为了准确获得超声波渡越时间,需对回波信号进行处理.强噪声中提取微弱的回波信号,测量渡越时间常见的算法有双阈值法、小波变换法、互相关法等.其中,双阈值法是基于信号幅度的固定阈值检测方法,测量误差会因信号幅度变化而增大;小波变换法适用于低信噪比情况下,但对硬件的采样率和计算能力有较高的要求;而互相关法计算量不是很大,适用于随机干扰和非周期干扰环境下提取有用信号,弱化噪声对测量结果的影响。
另外由于容器内腔体包含多夹层,且注入液体介质包含气泡、固体颗粒物等属于混合介质特性,造成现有采用底部或者侧壁超声反射方式无法获取上述液位界面,因此需要在原有侧入射液位界面测量方式基础上,通过获取有无液体介质条件下容器外壁处声压大小、声压变化量、探测区面积等参数,来精确定量计算液位界面位置。
发明内容
本发明意在提供一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,以解决含有混合介质且内部腔体包含多夹层的密闭容器液位界面检测问题,采用超声探头外贴容器侧壁方式进行容器内液位界面测量。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1:在容器侧面定点位置安装超声探头并设置超声探测参数,设置好之后进行超声发送和接收回波信号;
S2:当容器内液体介质液位到达超声波探头区域内时,超声探头才会接收到回波信号,之后对接收到的回波信号进行处理;
S3:对有效探测区直径d的进行推导并计算;
S4:对T1和T2时间段内的回波信号积分值的计算公式进行推导并计算;
S5:对超声探头在探测区内的高度值的计算公式进行推导并计算;
S6:根据S3、S4和S5的计算结果,计算液面高度Hs
优选地,还包括:S7:将计算得到的液位界面高度位置值通过RS485总线发送到组态控制软件进行显示。
优选地,所述S1中超声探头采用水声换能器,其中心频率为1MHz,驱动电压24V,回波幅值为800mv,超声波束发射角3.2,超声发送的单次脉冲串数量为8,重复周期为100ms,由主控芯片STM32生成脉冲信号后经功率放大电路生成超声换能器驱动信号。
优选地,所述S3中直径d的值有超声波束发射角β、探头半径r、容器壁厚L以及探头波束发射区长度C共同确定。
优选地,所述S4中回波信号经1MHz带通滤波放大电路,放大倍数为2.5倍,经滤波放大后的信号求取包络,利用主控芯片STM32自带AD采样模块对包络信号进行采样,采样频率为2MHz,并计算单次回波信号T1=0.05ms至T2=1.75ms时间段内的积分值,即为其中T1、T2可根据具体测试情况进行设置,确保大部分回波信号包络在此区间内,使/>的值在该时间区间内达到最大值。
优选地,所述S5中的值可通过液体介质在探测区内占有的面积与探测区总面积之间的比值等于当前液位界面高度下回波信号总声压值与探测区内全液体情况下的回波信号总声压值之间的比值得出。
优选地,所述S3~S6的计算依托的硬件设备主要为嵌入式超声收发电路板。
优选地,所述嵌入式超声收发电路板包括超声驱动电源转换及驱动电路、超声回波信号调理电路、AD采集电路、微处理器、直流电转换模块、通信接口电路、状态显示模块,所述超声驱动电源转换及驱动电路与24V直流电源和超声探头电性连接,所述超声回波信号调理电路与超声探头电性连接,所述直流电转换模块与24V直流电源电性连接,所述超声回波信号调理电路、AD采集电路、微处理器、直流电转换模块相互之间电性连接,所述通信接口电路与状态显示模块均与微处理器、直流电转换模块电性连接。
本技术方案的原理及有益效果:
(1)本发明可实现对含有混合介质的密闭容器液位界面的定量测量,测量结果不易受容器内腔体形状与液体介质特性的影响,可应用于易爆有毒液体存储容器的液位无损检测,具有较好的应用价值;另外,基于该测量方法开发的嵌入式液位测量装置成本低廉,适合大规模工业应用。
(2)本发明的适用范围如下:容器壁厚在10-50mm之间,液体介质动力粘度≤30mPa.s,容器直径≥1000mm,容器壁材质为钢或者铝合金。
附图说明
图1为本发明实施例提供的液位界面定量计算原理示意图;
图2为本发明实施例提供的液位界面高度位置值计算流程图;
图3为本发明实施例提供的d的计算公式;
图4为本发明实施例提供的的计算公式;
图5为本发明实施例提供的的计算公式;
图6为本发明实施例提供的Hs的计算公式;
图7为本发明实施例提供的回波信号总声压值计算原理示意图;
图8为本发明实施例提供的超声收发电路板硬件原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明:
实施例1:如图1所示的一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,利用超声波测量到相应数据,即可通过相关公式进行推导,计算出液位界面的高度,该方法包括以下步骤:
S1:在金属容器壁1侧面定点位置安装超声探头,该超声探头采用水声换能器,其中心频率为1MHz,驱动电压24V,回波幅值为800mv,超声波束发射角3.2;安装好之后,综合考虑回波信号能量强度和容器壁厚的影响,确保回波信号足够强的同时,又有足够的探测分辨率,同时让回波信号不发生重叠干扰,提高测量的实时性,所以以单次脉冲串数量为8,重复周期为100ms,由主控芯片STM32生成脉冲信号后经功率放大电路生成超声换能器驱动信号,向容器内进行超声发送。
S2:当容器内液体介质液位到达超声波探头区域内时,超声探头才会接收到回波信号,之后对接收到的回波信号进行处理并按照图2所示的流程进行计算,且计算依托的硬件设备主要为原理如图8所示的嵌入式超声收发电路板。
S3:对有效探测区直径d的计算公式进行推导并计算;
有效探测区直径d能为超声探头探测区域位置的确定提供计算参考值,其计算公式如图3所示,直径d的值由超声波束发射角β、探头半径r、容器壁厚L以及探头波束发射区长度C共同确定。
S4:对T1和T2时间段内的回波信号积分值的计算公式进行推导并计算;
是液位位置计算的核心关键参数值,通过该值可确定液位在超声探测区域的位置,其计算公式如图4所示,式中,Ui为Ti时刻回波包络信号电压值,ΔT为两个采样点之间的时间间隔,为使单次回波信号能很好地反应液位位置变化信号特征,排除其他干扰的影响,所以单次信号的采样范围T1、T2可根据具体测试情况进行设置,确保大部分回波信号包络在此区间内,使/>的值在该时间区间内达到最大值;
如图7所示,回波信号经1MHz带通滤波放大电路,放大倍数为2.5倍,经滤波放大后的信号求取包络,此时得到的回波信号包络电压值即为声压能量值,利用主控芯片STM32自带AD采样模块对包络信号进行采样,采样频率为2MHz,并计算单次回波信号T1=0.05ms至T2=1.75ms时间段内的积分值,即为
S5:对超声探头在探测区内的高度值的计算公式进行推导并计算;
计算公式如图5所示,的值可通过液体介质在探测区内占有的面积与探测区总面积之间的比值等于当前液位界面高度下回波信号总声压值与探测区内全液体情况下的回波信号总声压值之间的比值得出,式中,∑P1为探测区内完全无液体情况下的回波信号总声压值,∑P2为探测区内全液体情况下的回波信号总声压值,∑P1、∑P2可通过实际回波信号检测获取,其计算公式与/>计算公式相同。
S6:根据S3、S4和S5的计算结果,计算液面高度Hs
计算公式如图6所示,可实现对含有混合介质的密闭容器液位界面的定量测量,测量结果不易受容器内腔体形状与液体介质特性的影响。
S7:将计算得到的液位界面高度位置值通过RS485总线发送到组态控制软件进行显示。
综上,通过获取有无液体介质条件下容器外壁处声压大小、声压变化量、探测区面积等参数,来精确定量计算液位界面位置,实现对含有混合介质的密闭容器液位界面的定量测量,测量结果不易受容器内腔体形状与液体介质特性的影响,可应用于易爆有毒液体存储容器的液位无损检测,具有较好的应用价值,另外,基于该测量方法开发的嵌入式液位测量装置成本低廉,适合大规模工业应用。
以上所述的仅是本发明的实施例,方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明技术方案的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应该视为本发明的保护范围,这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准,说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1:在容器侧面定点位置安装超声探头并设置超声探测参数,设置好之后进行超声发送和接收回波信号;
S2:当容器内液体介质液位到达超声波探头区域内时,超声探头才会接收到回波信号,之后对接收到的回波信号进行处理;
S3:对有效探测区直径d的计算公式进行推导并计算,表达式如下:
式中,β为超声波束发射角,r为探头半径,L为容器壁厚,C为探头波束发射区长度;
S4:对T1和T2时间段内的回波信号积分值的计算公式进行推导并计算,表达式如下:
式中,Ui为Ti时刻回波包络信号电压值,ΔT为两个采样点之间的时间间隔;
S5:对液位界面在探头探测区内的高度值的计算公式进行推导并计算,表达式如下:
式中,∑P1为探测区内完全无液体情况下的回波信号总声压值,∑P2为探测区内全液体情况下的回波信号总声压值;
S6:根据S3、S4和S5的计算结果,计算液面高度Hs
式中,H为超声探头中心位置高度。
2.根据权利要求1所述的含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:还包括:
S7:将计算得到的液位界面高度位置值通过RS485总线发送到组态控制软件进行显示。
3.根据权利要求1所述的含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:所述S1中超声探头采用水声换能器,其中心频率为1MHz,驱动电压24V,回波幅值为800mv,超声波束发射角3.2;超声发送的单次脉冲串数量为8,重复周期为100ms,由主控芯片STM32生成脉冲信号后经功率放大电路生成超声换能器驱动信号。
4.根据权利要求1所述的含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:所述S4中回波信号经1MHz带通滤波放大电路,放大倍数为2.5倍,经滤波放大后的信号求取包络,利用主控芯片STM32自带AD采样模块对包络信号进行采样,采样频率为2MHz,并计算单次回波信号T1=0.05ms至T2=1.75ms时间段内的积分值,即为其中T1、T2可根据具体测试情况进行设置,确保大部分回波信号包络在此区间内,使/>的值在该时间区间内达到最大值。
5.根据权利要求1所述的含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:所述S5中的值可通过液体介质在探测区内占有的面积与探测区总面积之间的比值等于当前液位界面高度下回波信号总声压值与探测区内全液体情况下的回波信号总声压值之间的比值得出。
6.根据权利要求1所述的含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:所述S3~S6的计算依托的硬件设备主要为嵌入式超声收发电路板。
7.根据权利要求6所述的含有混合介质的密闭容器超声液位界面定量计算方法,其特征在于:所述嵌入式超声收发电路板包括超声驱动电源转换及驱动电路、超声回波信号调理电路、AD采集电路、微处理器、直流电转换模块、通信接口电路、状态显示模块,所述超声驱动电源转换及驱动电路与24V直流电源和超声探头电性连接,所述超声回波信号调理电路与超声探头电性连接,所述直流电转换模块与24V直流电源电性连接,所述超声回波信号调理电路、AD采集电路、微处理器、直流电转换模块相互之间电性连接,所述通信接口电路与状态显示模块均与微处理器、直流电转换模块电性连接。
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