CN116858338A - 快速窨井液位测量电路及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速窨井液位测量电路及装置，包括：超声发射电路、超声回波接收电路、CPU控制电路以及超声探头；所述CPU控制电路分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接，所述超声探头与分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接；所述超声发射电路包括超声功率驱动电路，所述超声功率驱动电路根据所述CPU控制电路指令调节超声探头的超声功率，所述超声回波接收电路接收并计算窨井盖小孔处每个功率点的探头盲区临界点，所述探头盲区临界点的位置作为超声测距起点。通过本发明的装置可以不用打开井盖，透过各种带孔的窨井井盖，直接测量井下液位高度，大大缩短了测量作业的时间和人力。

Description

快速窨井液位测量电路及装置

技术领域

本发明涉及液位测量装置的技术领域，具体地，涉及一种快速窨井液位测量电路及装置。

背景技术

目前，城市中有大量地下排水管网，如污水管网、雨水管网等，这些地下管网每隔一段距离(例如50米)就会有一个窨井，由于窨井内的条件比较恶劣，水位高低不一，对窨井内的水位监测，其水位传感器的布设比较困难。

在公开号为CN112729480A的中国专利文献中，公开了《一种管网窨井水位检测一体化装置》，为了安装、维护及通讯效果，通常主机安装在窨井的井口，在主机的下方通过水位传感器电缆连接最下端的水位传感器，水位传感器要进入水中，表明该水位传感器为接触式压力水位传感器，存在如下问题：为了检测到最低水位，接触式压力水位传感器必须布设在水位的最低点，而排水管道的水位最低点必然会有能够堵塞水位传感器的淤泥，这也限制了该技术的实用性。

常规的超声液位检测设备通常只能测量开阔距离内的数据，因此，常用的方法是打开窨井盖，在窨井口使用超声测距装置测量液位，但是该测量方法工作量较大，费时费力，不利于对窨井进行常规检测。

我国常规的雨水井下水道的窨井盖通常有两个用来开启井盖的小孔，如果将探头透过井盖的小孔测量，会因为井盖的厚度而使探头在近距离的回波时间增加而误判，导致数据错乱或者不稳定。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种快速窨井液位测量电路及装置。

根据本发明提供的一种快速窨井液位测量电路，包括：超声发射电路、超声回波接收电路、CPU控制电路、存储器、以及超声探头；

所述CPU控制电路分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接，所述超声探头与分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接；

所述超声发射电路包括超声功率驱动电路，所述超声功率驱动电路根据所述CPU控制电路指令调节超声探头的超声功率，所述存储器中存储有超声探头在窨井盖小孔处每个功率点的探头盲区临界点，所述探头盲区临界点的位置作为超声测距起点，所述CPU控制电路根据超声功率以及对应的探头盲区临界点测量液位。

优选地，所述超声发射电路包括DAC程控电压信号、程控升压电源、DDS超声信号发生电路和门控逻辑信号生成电路；

所述DAC程控电压信号分别与所述CPU控制电路和程控升压电源电连接，所述程控升压电源与所述超声功率驱动电路电连接，所述DDS超声信号发生电路分别与所述CPU控制电路和所述门控逻辑信号生成电路电连接，所述门控逻辑信号生成电路与所述超声功率驱动电路电连接。

优选地，所述超声回波接收电路包括AD转换电路、窄带带通滤波电路和前置差分放大电路；

所述AD转换电路分别与所述CPU控制电路和窄带带通滤波电路电连接，所述前置差分放大电路与所述窄带带通滤波电路电连接，所述前置差分放大电路与所述超声探头电连接。

优选地，所述DAC程控电压信号根据CPU控制电路的指令生成由低到高的电压扫描信号，所述程控升压电源根据电压扫描信号生成对应幅值的电压信号至所述超声功率驱动电路，所述超声功率驱动电路根据电压信号调整超声探头的发射功率。

优选地，所述前置差分放大电路将超声回波信号进行放大，所述窄带带通滤波电路对放大后的超声回波信号进行滤波，所述AD转换电路对超声回波信号转换为数字量信号。

优选地，所述超声探头为可更换设置，对更换后的超声探头进行探头盲区临界点的重新校正。

根据本发明提供的一种快速窨井液位测量装置，包括快速窨井液位测量电路，还包括固定支架和测量仪器，所述超声探头设置在所述固定支架的底部，所述测量仪器设置在所述固定支架上，所述超声发射电路、超声回波接收电路以及CPU控制电路均设置在所述测量仪器中。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过本发明的装置可以不用打开井盖，透过各种带孔的窨井井盖，直接测量井下液位高度。单人操作完成一次测量的时间不超过10秒钟。大大缩短了测量作业的时间和人力，也使工人道路作业的安全性得到提高。

2.通过本发明的装置，还可以使仪器适应各种不同规格型号的超声探头，由于不同厂家不同型号不同功率的探头自身的盲区时间差异很大，当仪器更换一个不同型号的探头时，通过探头自动扫描功能就能获取当前探头的盲区参数并保存在仪器内存，这样使仪器几乎可以完美匹配任何同频率的探头。

本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明公开的快速窨井液位测量电路拓扑图；

图2为本发明公开的快速窨井液位测量装置示意图；

图3为本发明中超声探头的原始盲区示意图；

图4为本发明中超声盲区叠加井盖干扰后的盲区示意图；

图5为本发明中超声盲区对比图；

图6为本发明公开的快速窨井液位测量方法中探头盲区校正流程图；

图7为本发明公开的快速窨井液位测量方法中液位测量流程图。

附图标记说明：

超声探头1 原始测距起始位置6

固定支架2 目标反射波7

测量仪器3 叠加井盖后的盲区波形8

井盖小孔4 校正后测距起始位置9

盲区波形5

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种快速窨井液位测量电路，针对常规的超声液位检测设备通常只能测量开阔距离内的数据，如果将探头透过井盖的小孔测量，会因为井盖的厚度而使探头在近距离的回波时间增加而误判，导致数据错乱或者不稳定。本发明装置采用一种可以自动扫描校正超声探头1盲区距离的超声检测技术，实现不用打开井盖，透过井盖小孔4就可以快速测量液位的功能。

本发明参照图1所示，包括：超声发射电路、超声回波接收电路、CPU控制电路、存储器、以及超声探头1。所述CPU控制电路分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接，所述超声探头1与分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接；所述超声发射电路包括超声功率驱动电路，所述超声功率驱动电路根据所述CPU控制电路指令调节超声探头1的超声功率，所述超声回波接收电路接收并计算窨井盖小孔4处每个功率点的探头盲区临界点，所述探头盲区临界点的位置作为超声测距起点。存储器中存储有超声探头1在窨井盖小孔4处每个功率点的探头盲区临界点，所述探头盲区临界点的位置作为超声测距起点，所述CPU控制电路根据超声功率以及对应的探头盲区临界点测量液位。

CPU控制电路控制超声探头1的输出功率从零开始逐步增加到满功率，回波接收电路同步接收并计算每个功率点的探头盲区临界点，通过这种探头自动扫描修正技术，在测量前对超声探头1做一次盲区边界扫描，扫描后将各功率点探头盲区的数据保存在内存，作为以后测量的盲区基准值，以后测量只要根据当前的超声发射功率去查找对应的盲区距离就可以正常的回避井盖导致的反射杂波干扰而正常测量液位。

在一种优选的实施方式中，在测量前，采用相同的窨井盖或者相同的孔结构进行盲区边界扫描，测量后得到各功率点的探头盲区临界点，并将盲区数据保存在内存中。在测量时，根据液位深度以及采集的超声波形选择合适的超声发射功率，并根据该超声发射功率点对应的超声盲区计算液位的高度。

在一种优选的实施方式中，所述超声发射电路包括DAC程控电压信号、程控升压电源、DDS超声信号发生电路和门控逻辑信号生成电路；所述DAC程控电压信号分别与所述CPU控制电路和程控升压电源电连接，所述程控升压电源与所述超声功率驱动电路电连接，所述DDS超声信号发生电路分别与所述CPU控制电路和所述门控逻辑信号生成电路电连接，所述门控逻辑信号生成电路与所述超声功率驱动电路电连接。

所述DAC程控电压信号根据CPU控制电路的指令生成由低到高的电压扫描信号，所述程控升压电源根据电压扫描信号生成对应幅值的电压信号至所述超声功率驱动电路，所述超声功率驱动电路根据电压信号调整超声探头1的发射功率。超声探头1的发射功率从零开始逐步增加，探测的范围从由近到远搜索目标。超声测量电路采取了自动功率控制(APC)的技术使超声传感器的测量范围在满足大量程的同时，又尽可能将测量盲区降到最低，同时超声脉冲的输出功率从零到最大值连续可调。

在一种优选的实施方式中，所述超声回波接收电路包括AD转换电路、窄带带通滤波电路和前置差分放大电路；所述AD转换电路分别与所述CPU控制电路和窄带带通滤波电路电连接，所述前置差分放大电路与所述窄带带通滤波电路电连接，所述前置差分放大电路与所述超声探头1电连接。

所述前置差分放大电路将超声回波信号进行放大，所述窄带带通滤波电路对放大后的超声回波信号进行滤波，所述AD转换电路对超声回波信号转换为数字量信号。

在测量时，超声发射电路从零开始逐渐加大发射功率，直到CPU计算出回波信号的幅度达到合理的幅度，则CPU控制电路发送指令给DAC程控电压信号电路让其停止电压的扫描，使程控升压电源保持当前的电压幅度，CUP根据当前的发射功率查找内存中对应的盲区临界值作为计算超声飞行时间的起点，并启动计算超声飞行时间程序计算出测量结果，这样就避开了由于井盖导致的额外的杂波干扰。

本发明还公开了一种快速窨井液位测量装置，参照图2所示，包括快速窨井液位测量电路，还包括固定支架2和测量仪器3，所述超声探头1设置在所述固定支架2的底部，所述测量仪器3设置在所述固定支架2上，所述超声发射电路、超声回波接收电路以及CPU控制电路均设置在所述测量仪器3中。固定支架2可以采用三脚架，三脚架起到固定和支撑作用。

在一种优选的实施方式中，所述超声探头1为可更换设置，对更换后的超声探头1进行探头盲区临界点的重新校正。不同型号不同厂家的超声探头1其盲区距离都有差异，仪器在首次投入使用前，需要对仪器所配超声探头1做一次探头盲区自扫描，将探头各驱动功率下的盲区参数记入仪器内存，供测量时调用。比如在某功率驱动下，超声探头1获得的回波如图3所示，超声探头1发射一束超声脉冲后，由于超声探头1的机械振动具有一定的“拖尾”特性，在驱动脉冲结束后，还会产生一定时间的阻尼震荡，这段阻尼震荡被接收电路接收后，就会影响近场探测的回波识别，所以超声探测都存在“盲区”，如图3中盲区波形5所示，经过一段时间震荡后最终逐渐衰减到零，这个刚好到零点的位置开始才是探头有效识别区间的开始，这就是原始测距起始位置6，直到目标反射波7的出现，这段度越时间加上前面已知的盲区时间就是超声探头1到目标物体来回一次的飞行时间t2，那么探头到目标物的距离V为超声在空气中的速度，约340米/秒。

当需要透过井盖小孔4对液位进行测量时，由于井盖小孔4及井盖较厚的厚度会对超声探头1辐射的超声波产生近场反射，其反射波加上盲区波形5的叠加，会产生如图4叠加井盖后的盲区波形8，从图4中可以看出叠加井盖后的盲区波形8衰减到零点的位置会比原始测距起始位置6向后延长，因此为了能正常透过井盖测量液位，必须对这种工况重新加以校正，得到校正后测距起始位置9，这样才能可靠稳定地测出结果。

图5是未叠加井盖和叠加井盖两种情况下超声探头1自扫描采集的盲区数据对照，可见叠加井盖后，盲区距离会有所增加。

本发明还提供了一种快速窨井液位测量方法，通过上述的快速窨井液位测量装置实现窨井液位的快速测量，具体的，包括：

探头盲区校正步骤：在超声测距传感器功率范围内逐级调节超声发射功率，将回波数据中最后一个小于阈值的数据作为盲区临界点，测量超声测距传感器在不同发射功率下的盲区临界点，并进行存储；所述超声测距传感器位于井盖小孔处；

液位测量步骤：根据测量时选择的发射功率，获取对应的盲区临界点，所述盲区临界点作为测距起点，根据超声在盲区临界点与液面传输时间计算液位高度。

本实施例中超声测距传感器可以是超声探头，在校正过程中，将超声探头贴近井盖小孔，将小孔对着空旷的地方或者天空，对设备发送校正指令，设备会自动从最小超声发射功率开始到最大功率发射连续功率递增的超声信号，同时不断地采样接收回波，并将回波的盲区临界点记录在设备的内存中，作为以后测量的盲区基准值，以后测量只要根据当前的超声发射功率去查找对应的盲区距离就可以正常的回避井盖导致的反射杂波干扰而正常测量液位。所述探头盲区校正步骤在所述超声测距传感器首次使用或更换时执行。

在一种优选的实施方式中，参照图6所示，所述探头盲区校正步骤包括：

步骤S1：将超声测距传感器设置在井盖小孔处，并将超声测距传感器的发射功率设置最低档；

步骤S2：通过超声测距传感器发出超声脉冲，接收该功率下规定时间内的回波，并进行连续数字量化成回波幅度的数字量数据；

步骤S3：从回波数据中逐点和阈值比较，将该组回波数据中最后一个小于阈值的数据作为该发射功率下的盲区临界点，记录该数据的位置并保存；

步骤S4：将超声测距传感器的发射功率提高一档，重复执行步骤S2-步骤S3，直至记录最大发射功率对应的盲区临界点，将超声测距传感器功率归零并结束校正。

超声测量电路采取了自动功率控制(APC)的技术使超声传感器的测量范围在满足大量程的同时，又尽可能将测量盲区降到最低，同时超声脉冲的输出功率从零到最大值连续可调。

在一种优选的实施方式中，参照图7所示，所述液位测量步骤包括：

步骤A1：将超声测距传感器穿过井盖小孔，并发射超声脉冲，发射结束后立即转入接收状态，接收并数字量化一段约100ms时长的回波数据；

步骤A2：获取该发射功率下的盲区临界点，作为计算回波时间的有效开始时间，将有效开始时间点之前的回波数据清零，并对更新的回波数据进行解调得到峰值位置；

步骤A3：判断峰值大小，若峰值小于预设值，提高超声测距传感器的发射功率，并返回步骤A1，若峰值大于预设值，则根据峰值位置进行液位测量。

在一种优选的实施方式中，液位测量具体为：超声脉冲从有效开始时间到反射回超声测距传感器的时间加上盲区时间为超声探头到目标物体来回一次的飞行时间t2，则超声测距传感器到液位的距离V为超声在空气中的速度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种快速窨井液位测量电路，其特征在于，包括：超声发射电路、超声回波接收电路、CPU控制电路、存储器、以及超声探头(1)；

所述CPU控制电路分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接，所述超声探头(1)与分别与所述超声发射电路以及所述超声回波接收电路电连接；

所述超声发射电路包括超声功率驱动电路，所述超声功率驱动电路根据所述CPU控制电路指令调节超声探头(1)的超声功率，所述存储器中存储有超声探头(1)在窨井盖小孔(4)处每个功率点的探头盲区临界点，所述探头盲区临界点的位置作为超声测距起点，所述CPU控制电路根据超声功率以及对应的探头盲区临界点测量液位。

2.根据权利要求1所述的快速窨井液位测量电路，其特征在于，所述超声发射电路包括DAC程控电压信号、程控升压电源、DDS超声信号发生电路和门控逻辑信号生成电路；

所述DAC程控电压信号分别与所述CPU控制电路和程控升压电源电连接，所述程控升压电源与所述超声功率驱动电路电连接，所述DDS超声信号发生电路分别与所述CPU控制电路和所述门控逻辑信号生成电路电连接，所述门控逻辑信号生成电路与所述超声功率驱动电路电连接。

3.根据权利要求1所述的快速窨井液位测量电路，其特征在于，所述超声回波接收电路包括AD转换电路、窄带带通滤波电路和前置差分放大电路；

所述AD转换电路分别与所述CPU控制电路和窄带带通滤波电路电连接，所述前置差分放大电路与所述窄带带通滤波电路电连接，所述前置差分放大电路与所述超声探头(1)电连接。

4.根据权利要求2所述的快速窨井液位测量电路，其特征在于，所述DAC程控电压信号根据CPU控制电路的指令生成由低到高的电压扫描信号，所述程控升压电源根据电压扫描信号生成对应幅值的电压信号至所述超声功率驱动电路，所述超声功率驱动电路根据电压信号调整超声探头(1)的发射功率。

5.根据权利要求3所述的快速窨井液位测量电路，其特征在于，所述前置差分放大电路将超声回波信号进行放大，所述窄带带通滤波电路对放大后的超声回波信号进行滤波，所述AD转换电路对超声回波信号转换为数字量信号。

6.根据权利要求1所述的快速窨井液位测量电路，其特征在于，所述超声探头(1)为可更换设置，对更换后的超声探头(1)进行探头盲区临界点的重新校正。

7.一种快速窨井液位测量装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的快速窨井液位测量电路，还包括固定支架(2)和测量仪器(3)，所述超声探头(1)设置在所述固定支架(2)的底部，所述测量仪器(3)设置在所述固定支架(2)上，所述超声发射电路、超声回波接收电路以及CPU控制电路均设置在所述测量仪器(3)中。