CN1276241C - 一种声波液位测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明的声波液位测量装置包括导波管、信号处理控制芯片、声波发生单元、声波接收单元和模拟/数字转换器；声波接收单元所在位置设为测量基准点，此点与液面的距离为L；信号处理控制芯片确定一个最低音频信号的频率，向声波发生单元发送从该最低频率始往上增的频率的控制指令，控制声波发生单元产生两个或两个以上周期的控制指令所指定频率的声音信号；声波接收单元接收声波，并传送给模拟/数字转换器再送到信号处理控制芯片记录该频率声音在基准点振幅，并将该频率的声音振幅与前一次所记录的频率声音振幅进行比较，找出出现的最小振幅，储存此最小振幅，则此振幅所对应的频率为驻波频率，并根据声波在空气中的传播速度、驻波的频率计算L值。

Description

一种声波液位测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，特别是关于一种声波测量液位的装置及其方法。

背景技术

在工农业生产中，各种液体的液位是一个重要的参数。如河流、湖泊的水位是描述水利系统的重要参数，油库的油位是判断其储油量的参数。因此液位的测量技术是测量领域的研究对象，如何简单、准确地测量液位一直是人们追求的目标。

目前已有的液位测量装置主要分接触式和非接触式两大类。

接触式液位测量装置常见的有压力式液位传感器和浮子式液位传感器。

压力式液位传感器，采用压力传感器作为敏感元件，通过测量液体内部的压强来测量液位。但由于此种液位测量装置与被测液体相接触，会受淤积、腐蚀而使传感器受损，同时测量的精度受到被测液体密度和外界气压变化的影响，压强传感器价格偏高。

浮子式液位传感器通过测量悬浮在液体表面的浮子到基准点的距离来测量液位，但此种液位测量装置体积大，并且准确度随时间的延长而降低。

非接触式的液位测量装置现有超声波液位传感器，由于与被测液体不相接触，避免了淤积、腐蚀等接触式测量装置存在的问题。但是，超声波式液位测量装置价格高，测量时的精度受气候、波浪等外界因素的影响，并且存在一定的测量盲区。

一种现有的如中国国家知识产权局于2002年4月24日公开的，申请号为01100503、发明名称为《(声波水位测量方法及其系统)》的液位测量方法及装置，如图1所示，所述的声波水位测量装置包括，声波发生单元1、导波管2、麦克风3和4、中空的声波反射筒6以及与中空的声波反射筒一体的浮子7、振荡器和信号处理控制芯片，该现有技术中将麦克风3的位置设为水位测量的基准点，所述信号处理控制芯片储存麦克风3和4之间的距离1₁以及声波反射筒6的上表面到水表面间距1₂，并通过测量声波脉冲分别经过1₁、1₂的时间，以及上和下的经过从麦克风到水表面的距离L的时间，同时，信号处理控制芯片根据公式：

$L=\frac{t_1}{2}\·\frac{1}{2\·(\frac{l_1}{t_1}+\frac{l_2}{t_2})}$

算出L的值。该专利的声波液位测量装置相对于现有压力式传感器和超声波传感器，其成本相对要低，但是该专利的声波液位测量装置由于采用两个麦克风以及一个具有中空反射筒的浮子，其器件多，成本较高，安装程序繁锁；另外，它在工作时要测量两个点，以及两个反射波，测量程序复杂，并且，中空反射筒由于通过浮子浮于水面上，由于水波的不定性，1₂的值是不稳定的，测量精度受到影响。

针对上述问题，有必要提供一种器件少、成本低、安装方便、快捷并且测量精度高的声波液位测量装置及其方法。

发明内容

为了解决上述现有的液位测量装置存在的成本高、安装不便和精度较低的问题，本发明提供了一种器件少、成本低、安装方便、快捷并且测量精度较高的声波液位测量装置。

为了解决上述现有的液位测量方法的程序复杂并且测量精度较低的问题，本发明提供了一种测量程序简单并且测量精度较高的声波液位测量方法。

本发明的声波液位测量装置，包括：导波管、信号处理控制芯片、声波发生单元、声波接收单元和模拟/数字转换器；该导波管下端插入所测液体中；声波发生单元接收信号处理控制芯片发送的控制指令，产生信号处理控制芯片所指定频率的声音信号并向导波管内发送；声波接收单元位于声波发生单元的下方，并位于导波管内，声波接收单元所在的位置设为测量基准点，此点与液面的距离为L；模拟/数字转换器将声波接收单元传送来的声音信号转换成数字信号发送回信号处理控制芯片；所述信号处理控制芯片确定一个最低音频信号的频率：根据预先设定的测量范围，确定在最大量程时入射声波与反射声波在测量基准点所能产生第一次驻波时的频率，此频率为最小的音频信号的频率；向声波发生单元发送从该最低频率开始往上增加的频率所对应的控制指令，控制声波发生单元产生两个或两个以上周期的控制指令所指定频率的声音信号；所述声波接收单元接收到基准点的声波，将声波以电信号的形式传送给模拟/数字转换器转换成数字信号送到信号处理控制芯片；所述信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的振幅，将该频率的声音振幅与前一次所记录的频率声音振幅进行比较，找出第一个出现的最小振幅，并将此最小的振幅进行储存，则此最小振幅的声波所对应的频率为驻波的频率，并根据声波在空气中的传播速度、驻波的频率和公式：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

其中，L：液面到基准点的距离；λ：声波波长；

v：声波在空气中传播的速度；f：声波的频率；

计算出L的值。

本发明的声波液位测量方法，包括如下步骤：

(1)提供声波接收单元和导波管，声波接收单元位于导波管内，设定声波接收单元所在的位置为测量基准点，它到液面的距离为L；

(2)提供信号处理控制芯片、模拟/数字转换单元和声波发生单元，该信号处理控制芯片确定一最小的音频信号的频率，控制声波发生单元产生至少两个周期的该频率的声音信号，并输出至导波管；导波管中的声音信号通过声波接收单元和模拟/数字转换单元送回到信号处理控制芯片；信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的幅度；

(3)信号处理控制芯片增加音频信号的频率，控制声波发生单元产生至少两个周期的该频率的声音信号，通过声波接收单元和模拟/数字转换单元送回到信号处理控制芯片；信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的幅度；

(4)信号处理控制芯片判断增加频率后的声音幅度是否大于前一频率下的声音幅度。如果是，结束测量，以前一频率为驻波频率；如果否，重复步骤(3)；

(5)信号处理控制芯片根据驻波频率、声波在空气中的传播速度和公式：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

计算L。

相对于现有技术采用多个声波接收单元和浮子，本发明声波液位测量装置通过位于测量基准点的一个声波接收单元接收导波管内的声音，器件较少，成本低、安装方便、快捷；另外，本发明声波液位测量装置的声波接收单元所接收的声波为在导波管的入射声波和被液面反射回来的声波在测量基准点处相叠加的声波，不存在现有技术中因浮子受液体波动而产生的不稳定性而使测量精度降低的不足；同时，本发明通过一个导波管引导声波运行，这在很大程度上避免了因液体波动而引起的误差，测量精度也相对较高。

本发明声波液位测量方法，通过信号处理控制芯片控制声波发生单元产生其指定频率的声音信号，并记录测量基准点的声音的幅度，找出最小幅度的声波的频率，根据产生驻波的条件公式计算出测量基准点到液面的距离，测量程序简单；另外，本发明声波液位测量方法中，声波接收单元向信号处理控制芯片发送经模拟/数字转换单元转换后的音频信号，仅是入射声波与被液面反射回来的反射声波在测量基准点的叠加，基本没有外界因素的影响，测量精度高。

附图说明

图1是现有声波水位测量装置的结构示意图。

图2是本发明声波液位测量装置的结构示意图。

图3是本发明声波液位测量装置的功能模块示意图。

图4是本发明声波液位测量方法流程图。

具体实施方式

本发明利用声波的入射波与反射波在空气中相向传送产生的驻波的波节振幅最小这一原理来进行液位测量，通过寻找导波管内的声波在测量基准点出现第一次驻波的频率来计算出测量基准点到液面的距离从而实现液位测量。

请参照图2，是本发明声波液位测量装置的结构示意图，声波液位测量装置包括声波发生单元1、声波接收单元2、导波管3、信号处理控制芯片4(如图3所示)和模拟/数字转换单元(如图3所示)，L为声波接收单元2到液表面的距离。所述导波管3为一中空管，它固定到一固定支柱上(图未示)，导波管3的下端部分插入所测液体。所述液位测量装置还包括一个壳体10，该壳体10包括具有空腔、呈圆柱状的本体19，沿本体19的上、下两端各延伸出锥状体，下端锥状体与本体19具有相贯通的开口，所述信号处理控制芯片4放置于壳体10的本体19的空腔内，所述声波发生单元1和声波接收单元2部分容置于下端的开口内，并且所述声波接收单元2位于声波发生单元1的下方。所述下端锥状体具有与导波管3相配合的接口部20，通过该接口部20与导波管3的端部配合固定，将壳体10固定在导波管3的端部上，并使所述声波接收单元2正好位于导波管3的顶端中心处。导波管3的顶端，即声波接收单元2的位置是液位测量的基准点，假设基准点具有高于水平面的高度H₀，所测的液位可以由下式得出：H＝H₀-L，本发明中液位测量装置固定，即H₀为固定值，则液位变化直接转换成为液面到基准点距离L的变化。

本发明利用寻找驻波波节的空间位置来测量液面到基准点的距离L，从而实现液位测量，其原理如下：

由于声波的传播过程中，在介质的分界面要发生反射，入射波与反射波的叠加在一定条件下形成驻波。在形成驻波时，沿波传播方向振幅仅随空间位置周期变化，振幅最大的称波腹，振幅最小的称波节。

由波动方程可以导出：只有在满足传输距离L是

的整数倍，即

$L=n\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

的时候形成驻波(其中λ是声波波长)。

当n＝1时， $L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

其中v是声波在空气中传播的速度(相对恒定)，f是声波的频率。通过检测第一次形成驻波的声波的频率f可以计算出L。形成驻波时，在波节处声波振动幅度最小，检测振幅最小的声波，此时声波对应的频率为驻波频率。

本发明中信号处理控制芯片4控制声波发生单元1产生一定频率的声波沿导波管3入射，直到液面并被液面反射回来，声波接收单元2接收导波管3中的声波，并经模拟/数字转换单元后送到信号处理控制芯片4，信号处理控制芯片4记录下在该频率时的声声音幅度。当所传送的声波的波长λ与L满足如下关系时：

$L=n\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

其中n为整数，则入射波与反射波叠加，产生驻波，并且满足在基准点，即声波接收单元2的位置为驻波的波节，则此时在声波接收单元2处的声波的振幅最小，则此振幅最小的频率为驻波的频率，信号处理控制芯片4记录下该频率，并根据公式：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

计算出L的值，即测出声波接收单元2到液面的距离，所述v是声波在空气中传播的速度。

请同时参阅图3，是本发明液位测量装置的功能示意图，测量装置由四个功能单元组成：信号处理和控制单元、声波发生单元1、声波接收单元2和模拟/数字转换单元。

所述信号处理控制单元为一信号处理控制芯片4，控制测量工作流程，运行测量算法。

声波发生单元1由谐波信号发生器11、音频功率放大器13和扬声器12组成。谐波信号发生器11接受从信号处理控制芯片4传送的指令生成指定频率的正弦信号，经音频功率放大器13放大后驱动扬声器12，完成电声转换，发出指定频率的声音信号。

声波接收单元2由麦克风21、麦克功率放大器22组成。

模拟/数字转换单元为模拟/数字转换器7。

声音信号经麦克风21完成声电转换后，通过麦克功率放大器22放大到一定幅度，然后经模拟/数字转换器7转换成数字信号送到信号处理控制芯片4。

信号处理控制芯片4与谐波信号发生器11通过电缆电性相连，谐波信号发生器11与扬声器12通过电缆电性相连，所述麦克风21与麦克功率放大器22电性相连，模拟/数字转换单元7通过电缆电性连接于麦克功率放大器22与信号处理控制芯片4之间。

信号处理控制芯片4预输入控制程序，每次工作时，确定测量起始最低的频率，以保证在测量过程中出现第一次驻波。所述最低频率由如下方法确定：基准点到液面的距离L最大时，入射声波与反射声波所能产生第一次驻波的频率，而最小的频率小于上述第一次驻波的频率。

假设测量范围是0～10米，即导波管3的长度L为10米。根据：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

声波传播的速度为340米/秒，对应第一次驻波频率为17Hz，则最小频率选取略小于17Hz，以保证在测量过程中出现第一次驻波。

信号处理控制芯片4内设置有所述最低频率所对应的控制指令，以及以恒定步长或变步长增加所得的不同频率所对应的控制指令。信号处理控制芯片4每向声波发生单元1发出一指定频率的控制指令，则其会记录下此控制指令所对应的频率。

工作时，信号处理控制芯片4向声波发生单元1发送从所述最低频率开始并以恒定步长或变步长增加的频率所对应的控制指令，控制谐波信号发生器11产生两个或两个以上周期的控制指令所指定频率的正弦波。所述正弦波经音频功率放大器13放大后，经过扬声器12进行电声转换，以入射声音信号的方式向导波管3发送，入射声波遇到液面被反射，以反射声波的方式沿导波管3回传，入射声波与反射声波在导波管3内发生叠加。声波接收单元2接收导波管3顶端处的声波；声波接收单元2中的麦克风21将所接收到其所在位置处的声波进行声电转换，将声波以电信号的形式向麦克功率放大器22传送，麦克功率放大器22将其所接收到的声波信号放大到一定幅度后传送给模拟/数字转换器7转换成数字信号送到信号处理控制芯片4。信号处理控制芯片4记录下在该频率的声音在基准点的振幅，将该频率的声音振幅与前一次所记录的频率声音振幅进行比较，通过如此的方式，找出出现第一个最小的振幅，并将此最小的振幅进行储存，则此最小振幅的声波所对应的频率即为驻波的频率，根据公式：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

计算出L的值。

一种声波液位测量方法，如图4所示，包括如下步骤：

(1)在所测液面上方确定测量基准点：提供声波接收单元和导波管，声波接收单元位于导波管内，设定声波接收单元所在的位置为测量基准点，其到液面的距离为L；

(2)提供信号处理控制芯片和声波接收单元，该信号处理控制芯片确定某一最小频率，控制声波发生单元产生该频率的声音信号输出至导波管，导波管中的声音信号通过声波接收单元和模拟/数字转换单元送回到信号处理控制芯片。信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的幅度；

(3)信号处理控制芯片增加音频信号的频率，控制声波发生单元产生该频率的声音信号，通过声波接收单元和模拟/数字转换单元送回到信号处理控制芯片。信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的幅度；

(4)信号处理控制芯片判断增加频率后的声音幅度是否大于前一频率下声音的幅度。如果是，结束测量，以前一频率为驻波频率；如果否，重复步骤(3)；

(5)信号处理控制芯片根据公式

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

和驻波频率计算L，所述v是声波在空气中传播的速度。

在上述测量方法中，所述的声波发生单元包括一个谐波信号发生器、音频功率放大器和一个扬声器，所述的声波接收单元包括麦克风和麦克功率放大器，所述信号处理控制芯片和谐波信号发生器电性相连，所述音频功率放大器电性连接于谐波信号发生器和扬声器之间，所述麦克风与麦克功率放大器电性相连，所述模拟/数字转换单元电性连接于信号处理控制芯片与麦克功率放大器之间。所述麦克风位于扬声器的下方。

在上述步骤(2)中，包括如下步骤：

(11)信号处理控制芯片向谐波信号发生器发出控制指令，控制谐波信号发生器至少产生两个或两个以上周期的指定频率的正弦信号，该正弦信号经音频功率放大器放大后驱动扬声器，扬声器对此放大的音频信号进行电声转换，向导波管发送指定频率的声音信号。该声音信号沿导波管向下传输，遇到液面时被反射回来，则被反射回来的声音信号与入射的声音信号在导波管内发生叠加。在本实施例中，信号处理控制芯片控制谐波信号发生器产生五个周期的正弦信号。

(12)位于导波管顶端的麦克风接收它位于导波管位置处的声音信号，麦克风对其接收到的声音信号进行声电转换后，将其送到麦克功率放大器放大到一定幅度，然后经模拟/数字转换器转换成数字信号送到信号处理控制芯片。信号处理控制芯片记录下在该频率不同周期时的声音幅度，比如本实施例中记录下五个周期的声音幅度，计算出该五个周期的声音幅度的平均值，并记录下来。

所述步骤(3)中，音频信号的频率的增加是以恒定步长的方式增加。

所述步骤(3)中，音频信号的频率的增加是以不定步长的方式增加。

所述步骤(2)中的所述确定最小频率由如下方法确定：基准点到液面的距离最大时，入射声波与反射声波在测量基准点所能产生第一次驻波的频率，该最小的频率为小于上述第一次驻波的频率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种声波液位测量装置，包括：

导波管，该导波管下端插入所测液体中；

信号处理控制芯片；

声波发生单元，接收信号处理控制芯片发送的控制指令，产生信号处理控制芯片所指定频率的声音信号并向导波管内发送；

声波接收单元，位于声波发生单元的下方，并位于导波管内，声波接收单元所在的位置设为测量基准点，此点与液面的距离为L；

其特征在于：还包括模拟/数字转换器，将声波接收单元传送来的声音信号转换成数字信号发送回信号处理控制芯片；

所述信号处理控制芯片用于确定一个最低音频信号的频率：根据预先设定的测量范围，确定在最大量程时入射声波与反射声波在测量基准点所能产生第一次驻波时的频率，此频率为最小的音频信号的频率；向声波发生单元发送从该最低频率开始往上增加的频率所对应的控制指令，控制声波发生单元产生两个或两个以上周期的控制指令所指定频率的声音信号；

所述声波接收单元接收到基准点的声波，将声波以电信号的形式传送给模拟/数字转换器转换成数字信号送到信号处理控制芯片；

所述信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的振幅，将该频率的声音振幅与前一次所记录的频率声音振幅进行比较，找出第一个出现的最小振幅，并将此最小的振幅进行储存，则此最小振幅的声波所对应的频率为驻波的频率，并根据声波在空气中的传播速度、驻波的频率和公式：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

其中，L：液面到测量基准点的距离；λ：声波的波长；

ν：声波在空气中传播的速度；f：声波的频率；

计算出L的值。

2.如权利要求1所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述声波发生单元包括谐波信号发生器、音频功率放大器和扬声器。

3.如权利要求2所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述谐波信号发生器接收信号处理控制芯片发送来的控制指令，产生信号处理控制芯片所指定频率的正弦信号。

4.如权利要求3所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述声波接收单元包括麦克风和麦克功率放大器。

5.如权利要求4所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述麦克风位于扬声器的下方。

6.如权利要求5所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述麦克风位于导波管的顶端。

7.如权利要求1所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述音频信号的频率以恒定步长的方式增加。

8.如权利要求1所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述音频信号的频率以变步长的方式增加。

9.如权利要求6所述的声波液位测量装置，其特征在于：还包括一壳体，所述信号处理控制芯片、声波发生单元、声波接收单元和模拟/数字转换器固定于该壳体内。

10.如权利要求9所述的声波液位测量装置，其特征在于：所述壳体的下端具有与导波管相配合的接口部，通过该接口部与导波管的端部配合固定，所述声波接收单元正好位于导波管的顶端中心处。

11.一种声波液位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)提供声波接收单元和导波管，声波接收单元位于导波管内，设定声波接收单元所在的位置为测量基准点，它到液面的距离为L；

(2)提供信号处理控制芯片、模拟/数字转换单元和声波发生单元，该信号处理控制芯片确定一最小的音频信号的频率：根据预先设定的测量范围，确定在最大量程时入射声波与反射声波在测量基准点所能产生第一次驻波时的频率，此频率为最小的音频信号的频率；控制声波发生单元产生至少两个周期的该频率的声音信号，并输出至导波管；导波管中的声音信号通过声波接收单元和模拟/数字转换单元送回到信号处理控制芯片；信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的幅度；

(3)信号处理控制芯片增加音频信号的频率，控制声波发生单元产生至少两个周期的该频率的声音信号，通过声波接收单元和模拟/数字转换单元送回到信号处理控制芯片；信号处理控制芯片记录下该频率的声音在基准点的幅度；

(4)信号处理控制芯片判断增加频率后的声音幅度是否大于前一频率下的声音幅度，如果是，结束测量，以前一频率为驻波频率；如果否，重复步骤(3)；

(5)信号处理控制芯片根据驻波频率、声波在空气中的传播速度和公式：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{v}{2\·f}$

其中，L：液面到测量基准点的距离；λ：声波的波长；

ν：声波在空气中传播的速度；f：声波的频率；

计算L。

12.如权利要求11所述的声波液位测量方法，其特征在于：所述声波发生单元包括一个谐波信号发生器、音频功率放大器和一个扬声器。

13.如权利要求12所述的声波液位测量方法，其特征在于：所述的声波接收单元包括麦克风和麦克功率放大器，所述信号处理控制芯片和谐波信号发生器电性相连，所述音频功率放大器电性连接于谐波信号发生器和扬声器之间，所述麦克风与麦克功率放大器电性相连，所述模拟/数字转换单元电性连接于信号处理控制芯片与麦克功率放大器之间；所述麦克风位于扬声器的下方。

14.如权利要求13所述的声波液位测量方法，其特征在于：在上述步骤(2)中，包括如下步骤：

(11)信号处理控制芯片向谐波信号发生器发出控制指令，控制谐波信号发生器产生两个或两个以上周期的指定频率的正弦信号，该正弦信号经音频功率放大器放大后驱动扬声器，扬声器对此放大的音频信号进行电声转换，向导波管发送指定频率的声音信号；

(12)位于导波管顶端的麦克风接收它在导波管位置处的声音信号，麦克风对其接收到的声音信号进行声电转换后，将其送到麦克功率放大器放大到一定幅度，然后经模拟/数字转换器转换成数字信号送到信号处理控制芯片。

15.如权利要求11或14所述的声波液位测量方法，其特征在于：在上述所述步骤(3)中，音频信号的频率的增加是以恒定步长的方式增加。

16.如权利要求11或14所述的声波液位测量方法，其特征在于：在上述所述步骤(3)中，音频信号的频率的增加是以不定步长的方式增加。

Images