CN115077661A - 一种多路超声透射液位测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路超声透射液位测量方法及测量装置，该测量方法为：将超声换能器安装在容器外侧壁，液体介质从容器底部逐渐上升并达到超声换能器探测位置，直到全部覆盖超声换能器探测位置时，所述超声换能器接收到的回波声压能量存在差异，通过计算所述差异的值来确定液位界面位置。该装置用来实施上述方法。本发明具有结构简单、操作简便、测量精度高等优点。

Description

一种多路超声透射液位测量方法及测量装置

技术领域

本发明主要涉及到液位监测技术领域，特指一种多路超声透射液位测量方法及测量装置，尤其适用于密闭容器高衰减性介质的多路超声透射液位测量。

背景技术

目前，对于易爆、有毒、高压容器的液位监测大多采用外贴式超声液位计。

现有外贴式超声液位计的基本原理是：通过检测另一侧容器壁的超声反射信号有无来判断液位位置。但是，上述外贴式超声液位计的监测方法存在以下几个不足：

(1)现有外贴式超声液位计及方法受限于容器内介质特性与容器直径大小，对大粘度、高密度与高衰减特性的介质，由于超声在该类型介质中的衰减严重，导致另一侧容器壁的超声反射信号很小，无法测量。

(2)现有外贴式超声液位计及方法，容器直径过小与过大都影响测量结果。过小无法避开超声测量盲区，过大超声反射信号衰减严重。这些因素的存在都导致现有外贴式超声液位计无法正常工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、操作简便、测量精度高的多路超声透射液位测量方法及测量装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种多路超声透射液位测量方法，将超声换能器安装在容器外侧壁，液体介质从容器底部逐渐上升并达到超声换能器探测位置，直到全部覆盖超声换能器探测位置时，所述超声换能器接收到的回波声压能量存在差异，通过计算所述差异的值来确定液位界面位置。

作为本发明方法的进一步改进：通过基尔霍夫近似理论计算回波声压能量。

作为本发明方法的进一步改进：容器外壁超声换能器接收到的回波声压是声束经过多次反射后的叠加，所述计算回波声压能量的步骤包括：

步骤S10：在容器内壁处第一次反射回波的平均声压

为：

步骤S20：当该声束被容器外壁反射，第二次到达容器内壁的声压P_L2为：

步骤S30：再经过容器内壁的发射，第二次到达容器外壁的声压P′_L2为：

步骤S40：依次类推，第n次达到容器外壁被接收的声压

为：

步骤S50：入射声束经过n次震荡后，超声换能器接收到的总回波声压∑P_n为：

其中，容器壁厚为L，换能器的半径为a，检测能量区的直径为d，入射初始声压为P₀，R_w为容器内壁处的超声反射系数，R_wg为容器内壁处液位上方的反射系数，R_w1为容器内壁处液位下方的反射系数，R_ws为超声换能器与容器外壁处的反射系数，ρ₁、ρ₂分别为两种介质的密度，c₁、c₂分别为超声波在两种介质中的传播速度，θ_i为入射角，θ_b为反射角，r_s为能量区超过液位部分与整个能量区之间的比值。

作为本发明方法的进一步改进：所述容器内壁处的超声反射系数R_w的计算公式为：

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S50中，总声压计算公式将信号进行处理，在T₁至T₂时间段内利用以下的公式对回波信号求积分，获取该段时间内的积分值

其中，U_i为第i个采样时刻超声回波信号幅值，ΔT为采样时间间隔值，N为T₁至T₂时间段内总的采样数量。

本发明进一步提供一种多路超声透射液位测量装置，其包括：

控制与信号处理单元，用于产生超声激励初始信号，并处理回波信号；所述超声激励初始信号为弱电压信号；

换能器驱动模块，用于将超声激励初始信号进行变压放大后，产生一个高压高频的电压信号；

超声换能器，用于接收超声回波信号并转换为弱电压信号；

带通滤波放大模块，用于将所述弱电压信号放大；

包络模块，用于将带通滤波放大模块处理后的信号经过求取包络后生产回波信号的包络信号；

AD采样模块，用于对包络信号进行AD采样，并送入控制与信号处理单元进行分析计算，得到液位界面测量信号。

作为本发明装置的进一步改进：还包括通信接口单元，利用通信接口单元将测量值发送给上位机显控单元。

作为本发明装置的进一步改进：所述带通滤波放大模块包括带通滤波器和放大电路，所述带通滤波器的通过频率为超声激励信号频率，所述放大电路用来进行电平平移和电压放大，具体放大参数可根据信号强弱进行调整。

作为本发明装置的进一步改进：所述控制与信号处理单元中，多路超声信号的实现为：在激励信号端是通过一个片选处理器确保在一定时间内只产生一个超声激励信号，同时回波信号接收端只处理一个回波信号，整个测量的流程为一个串行过程，确保每一路测量信息的独立。

作为本发明装置的进一步改进：超声换能器包括若干个换能器驱动模块、若干个换能器、及换能器驱动电源模块，换能器驱动模块换能器与换能器数量一致且形成一一对应控制，所述换能器驱动电源模块为所有换能器驱动模块进行供电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明多路超声透射液位测量方法及测量装置，结构简单、操作简便、测量精度高，其为基于超声透射的外贴式液位检测方法，通过检测安装在超声换能器一侧容器壁内的超声回波声压值大小来判断容器内介质液位，不易受容器内部结构和介质衰减特性的影响。按照测量原理介质的衰减系数越大，容器壁内的回波声压值越小越有利于该种检测方式，可有效避免现有技术的不足。

2、本发明多路超声透射液位测量方法及测量装置，针对现有外贴式液位计多为一个仪器主机配备一个超声换能器只能检测一个位置液位的不足，开发了一个仪器主机配备最多10个超声换能器检测10个不同位置液位的多路超声透射式液位测量装置，可实现对密闭容器高衰减特性介质液位的定点实时检测。

3、本发明多路超声透射液位测量方法及测量装置，可实现对含有高衰减系数介质的密闭容器液位多点实时测量，测量结果不易受容器内腔体形状的影响，测量装置基于嵌入式软硬件系统，采用一个仪器主机配套多个测量探头的方式，有效降低了设备成本，适合大规模工业应用，特别是在易爆、有毒、高压环境下密闭容器内高衰减系数介质的液位无损检测方面发挥重要作用，也可扩展应用于通用容器液位的外贴式无损测量。

附图说明

图1是本发明中透射式超声液位测量基本原理示意图。

图2是本发明中经多次反射后的容器壁内回波声压的示意图。

图3是本发明中液位界面计算原理的示意图。

图4是本发明中液体介质在超声换能器探测区域回波信号变化示意图。

图5是本发明中液体介质在超声换能器探测区域不同位置回波声压总值的示意图。

图6是本发明中多路超声透射液位测量装置的拓扑组成示意图。

图7是本发明中多路超声透射液位测量方法的流程示意图。

图例说明：

1、超声换能器；2、容器壁；3、超声波束；4、空气；5、液体介质；6、超声波能量区；

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的多路超声透射液位测量方法，其基本原理是：容器内具有液体介质5和空气4，将超声换能器1安装在容器壁2的外侧，通过检测有无液位情况下该位置处超声波束3在容器壁2内的回波信号能量大小来判断液位界面位置。参见图1和图3，在容器内的液体介质5的液位上下方，超声波束4的透射及反射情况会有较大差异。假设容器壁2内液位上方的反射系数用R_wg来表示，液位下方的反射系数用R_w1表示，超声换能器1与容器壁2外部处的反射系数用R_ws表示。当液体介质5从容器底部逐渐上升并达到超声换能器1探测位置到全部覆盖该位置时，超声换能器1接收到的回波声压能量会存在差异，通过计算该差异来确定液位界面位置。结合图3，超声信号在容器内壁区域会形成一个圆形的超声波能量区6，该超声波能量区6直径的大小主要由超声换能器1的直径、波束角和容器壁2的厚度参数决定。由于液体介质5在超声波能量区6不同位置超声换能器1接收到的能量存在差异，通过对该差异能量的计算可以确定液位。

基于上述液位测量原理，本发明利用基尔霍夫近似理论计算回波声压，经多次反射后的容器壁2内回波声压见图2。图中，I为超声回波信号包络曲线；II为超声回波信号原始曲线；III为超声波发射初始信号；IV为第一次反射回波信号；V为第二次反射回波信号；VI为第三次反射回波信号；VII为第四次反射回波信号；VIII为第五次反射回波信号。图2为实际超声波在容器壁内的反射特征，为计算多次反射后回波声压提供信号参考。

已知容器壁2的壁厚为L，超声波换能器1的半径为a，检测能量区的直径为d，入射初始声压为P₀，则在容器壁2的内壁处第一次反射回波的平均声压

为：

式中，R_w为容器内壁处的超声反射系数，计算公式为：

式中，ρ₁、ρ₂分别为两种介质的密度，c₁、c₂分别为超声波在两种介质中的传播速度，θ_i为入射角，θ_b为反射角。

当该声束被容器壁2的外壁反射，第二次到达容器内壁的声压P_L2为：

式中，R_ws为超声换能器1与容器外壁处的反射系数。

再经过内壁的发射，第二次到达容器外壁的声压P′_L2为：

式中，r_s为能量区超过液位部分与整个能量区之间的比值，R_wg为容器内壁处液位上方的反射系数，R_w1为容器内壁处液位下方的反射系数。

依次类推，第n次达到容器外壁被接收的声压P′_Ln为：

按照上述推论，入射声束经过n次震荡后，超声换能器1接收到的总回波声压∑P_n为：

综合上述分析，容器外壁超声换能器1接收到的回波声压是声束经过多次反射后的叠加。

基于该模型，可计算液位界面在超声换能器1探测能量区域的具体位置，见图3。

在具体应用实例中，根据实际需要，能量区直径d计算公式可以为：

式中，β为超声波束角，M为超声换能器检测盲区。

液位界面高度H_s计算公式为：

上式(8)中，H为超声换能器1安装位置高度，

为液位界面在超声换能器1探测能量区的相对高度。

在具体应用实例中，根据实际需要，其中

的计算公式为：

式中，∑P_n为超声换能器能量区最高液位处回波信号总声压值，∑P₀为超声换能器能量区最低液位处回波信号总声压值，∑P_i为超声换能器能量区当前液位处回波信号总声压值。

在具体应用实例中，容器在注入液体介质5过程中，回波信号声压的变化情况见图4，图中IX为液体介质5未到达超声探测能量区，图中X为液体介质5完全覆盖超声探测能量区。当液体介质5未到达超声换能器1探测区域时，此时容器内壁与空气4(气态介质)接触，反射系数大，回波信号能量高；当液体介质5到达超声换能器1的探测区域时，此时容器内壁与液体介质5接触，反射系数相比于上述较大，回波信号能量较低，部分声束能量通过容器壁透射入液体介质5中。

在具体应用实例中，根据实际需要，依据上式(6)总声压计算公式将信号进行处理，在T₁至T₂时间段内利用以下的公式(10)对回波信号求积分，获取该段时间内的积分值；

式中，U_i为第i个采样时刻超声回波信号幅值，ΔT为采样时间间隔值，N为T₁至T₂时间段内总的采样数量。

液体介质5到达超声换能器1的探测区域之前，多次回波声压值变化微小(基本保持不变)，液体介质5从到达到完全覆盖，多次回波声压值减小直至重新变得稳定，见图5所示。图中，液体介质5在超声换能器1的探测能量区不同位置处回波声压总值，纵坐标表示超声回波信号声压总值，单位为伏，横坐标表示液体介质5在超声换能器1的探测能量区所经过的时间，单位为分钟。图5中可以看出，当液体介质5经过超声换能器1的探测能量区时，其覆盖的能量区面积越大，回波声压总值越小，直至完全覆盖后回波声压总值重新稳定。

如图6所示，本发明的多路超声透射液位测量装置，包括：

控制与信号处理单元，用于产生超声激励初始信号，并处理回波信号；所述超声激励初始信号为弱电压信号；如可以根据实际需要采用STM32微处理器，以及其他可以满足基本需求的其他处理器。

换能器驱动模块，用于将超声激励初始信号进行变压放大后，产生一个高压高频的电压信号；

超声换能器，用于接收超声回波信号并转换为弱电压信号；

带通滤波放大模块，用于将所述弱电压信号放大；

包络模块，用于将带通滤波放大模块处理后的信号经过求取包络后生产回波信号的包络信号；

AD采样模块，用于对包络信号进行AD采样，并送入控制与信号处理单元进行分析计算，得到液位界面测量信号。

进一步，在具体应用实例中，本发明还包括通信接口单元，利用通信接口单元将测量值发送给上位机显控单元。如可以根据实际需要采用485总线通信方式，以及其他可以满足基本需求的其他接口电路。

进一步，在具体应用实例中，带通滤波放大模块包括带通滤波器和放大电路，所述带通滤波器的通过频率为超声激励信号频率，所述放大电路用来进行电平平移和电压放大，具体放大参数可根据信号强弱进行调整。

进一步，在具体应用实例中，在控制与信号处理单元中，多路超声信号的实现为：在激励信号端是通过一个片选处理器确保在一定时间内只产生一个超声激励信号，同时回波信号接收端只处理一个回波信号，整个测量的流程为一个串行过程，确保每一路测量信息的独立。

进一步，在具体应用实例中，超声换能器包括若干个换能器驱动模块、若干个换能器、及换能器驱动电源模块，换能器驱动模块换能器与换能器数量一致且形成一一对应控制，所述换能器驱动电源模块为所有换能器驱动模块进行供电。

在具体应用实例中，根据本发明的上述方法，为本发明的多路超声透射液位测量装置设计软件，如图7所示，该软件的基本流程为：

首先，完成参数初始化，主要设置参数初始值，需要设置的参数初值包含激励脉冲频率、数量，单次测量的周期，回波信号检测起始与结束时间，测量的通道数量与起始通道等；

然后，进入单次测量循环周期，开始第i路信道的液位值获取，包含激励信号发送、回波信号检测、回波信号总声压值计算与液位值计算等环节；

最后，单次测量循环周期内获取所有测量信道的液位值，完成后进入下一次测量循环周期。

综上所述，本发明主要解决了高衰减系数介质在复杂结构密闭金属容器内的液位位置的多点测量问题。适用条件：容器壁厚5-80mm，液体介质衰减系数≥1.44dB/m，单次液位测量周期≥250ms，测量通道1到10路可选。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多路超声透射液位测量方法，其特征在于，将超声换能器安装在容器外侧壁，液体介质从容器底部逐渐上升并达到超声换能器探测位置，直到全部覆盖超声换能器探测位置时，所述超声换能器接收到的回波声压能量存在差异，通过计算所述差异的值来确定液位界面位置。

2.根据权利要求1所述的多路超声透射液位测量方法，其特征在于，通过基尔霍夫近似理论计算回波声压能量。

3.根据权利要求2所述的多路超声透射液位测量方法，其特征在于，容器外壁超声换能器接收到的回波声压是声束经过多次反射后的叠加，所述计算回波声压能量的步骤包括：

步骤S10：在容器内壁处第一次反射回波的平均声压

为：

步骤S20：当该声束被容器外壁反射，第二次到达容器内壁的声压P_L2为：

步骤S30：再经过容器内壁的发射，第二次到达容器外壁的声压P′_L2为：

步骤S40：依次类推，第n次达到容器外壁被接收的声压P′_Ln为：

步骤S50：入射声束经过n次震荡后，超声换能器接收到的总回波声压∑P_n为：

其中，容器壁厚为L，换能器的半径为a，检测能量区的直径为d，入射初始声压为P₀，R_w为容器内壁处的超声反射系数，R_wg为容器内壁处液位上方的反射系数，R_w1为容器内壁处液位下方的反射系数，R_ws为超声换能器与容器外壁处的反射系数，ρ₁、ρ₂分别为两种介质的密度，c₁、c₂分别为超声波在两种介质中的传播速度，θ_i为入射角，θ_b为反射角，r_s为能量区超过液位部分与整个能量区之间的比值。

4.根据权利要求3所述的多路超声透射液位测量方法，其特征在于，所述容器内壁处的超声反射系数R_w的计算公式为：

5.根据权利要求3所述的多路超声透射液位测量方法，其特征在于，所述步骤S50中，总声压计算公式将信号进行处理，在T₁至T₂时间段内利用以下的公式对回波信号求积分，获取该段时间内的积分值

其中，U_i为第i个采样时刻超声回波信号幅值，ΔT为采样时间间隔值，N为T₁至T₂时间段内总的采样数量。

6.一种多路超声透射液位测量装置，其特征在于，包括：

控制与信号处理单元，用于产生超声激励初始信号，并处理回波信号；所述超声激励初始信号为弱电压信号；

换能器驱动模块，用于将超声激励初始信号进行变压放大后，产生一个高压高频的电压信号；

超声换能器，用于接收超声回波信号并转换为弱电压信号；

带通滤波放大模块，用于将所述弱电压信号放大；

包络模块，用于将带通滤波放大模块处理后的信号经过求取包络后生产回波信号的包络信号；

AD采样模块，用于对包络信号进行AD采样，并送入控制与信号处理单元进行分析计算，得到液位界面测量信号。

7.根据权利要求6所述的多路超声透射液位测量装置，其特征在于，还包括通信接口单元，利用通信接口单元将测量值发送给上位机显控单元。

8.根据权利要求6所述的多路超声透射液位测量装置，其特征在于，所述带通滤波放大模块包括带通滤波器和放大电路，所述带通滤波器的通过频率为超声激励信号频率，所述放大电路用来进行电平平移和电压放大，具体放大参数可根据信号强弱进行调整。

9.根据权利要求6所述的多路超声透射液位测量装置，其特征在于，所述控制与信号处理单元中，多路超声信号的实现为：在激励信号端是通过一个片选处理器确保在一定时间内只产生一个超声激励信号，同时回波信号接收端只处理一个回波信号，整个测量的流程为一个串行过程，确保每一路测量信息的独立。

10.根据权利要求6-9中任意一项所述的多路超声透射液位测量装置，其特征在于，超声换能器包括若干个换能器驱动模块、若干个换能器、及换能器驱动电源模块，换能器驱动模块换能器与换能器数量一致且形成一一对应控制，所述换能器驱动电源模块为所有换能器驱动模块进行供电。

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