CN205120208U - 基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器 - Google Patents

Abstract

基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，包括：超声波探头一，用于测量实际声速；超声波探头二，用于测量待测物的距离；中央处理器，分别连接变压器驱动电路一和放大、滤波、整形电路一，超声波探头一设置在两个电路一之间；中央处理器还分别连接变压器驱动电路二和放大、滤波、整形电路二，超声波探头二链接在两个电路二之间。本实用新型通过在已知固定距离处设置一反射物，超声波探头一通过该已知固定距离用来实时地测量实际声速，超声波探头二用测得的实际声速进行准确的超声波距离测量，因此在超声波进行液位测量时不会受到环境影响，从而能大大提高测量的可重复性和精度。

Description

基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器

技术领域

本实用新型涉及一种超声波液位变送器，具体涉及一种能实时精准测量液位的基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器。

背景技术

超声波液位变送器作为非接触式液位传感器，有着安装方便、稳定性高、不受介质污染等方便的优点，能大量应用到工业、农业等各种液位测量的场合。由于超声波测量必须用到声速，然而声速受各种外界环境的影响而有变化，现有的超声波液位变送器一般采用固定声速或者采用温度去补偿声速的方式。这种补偿方式不能完全反应正确的声速，因此测量过程中还是会受到空气中温度、湿度、空气质量等方面的影响，导致测量精度不高。因此现有的超声波液位变送器只能在测量精度要求不高或者室内外界环境变化不大的情况下使用。

超声波液位变送器的原理是通过超声波在空气中传播的时间和声波的传输速度计算得到超声波探头与液位之间的距离，从而测得液位。然而声速随着外界环境的变化而变化，传统的超声波液位传感器主要通过测量温度去补偿声速。这种方法存在如下缺点：

首先测量的温度不能及时正确的反应出当时空气中的温度；

其次，声速不仅仅是受温度影响，它还受湿度、空气质量等方面的影响。

因此这样的声速补偿不能真正的反映真实声速，所以以此声速去计算测量距离时还是容易受到外界环境的影响，导致测量距离的不准确，从而测量精度不高，误差大。因此，现有超声波测距变送器测量的可重复性和精度不高，容易受空气温度，空气湿度，空气质量等外界环境的影响。

CN104483380A公开了一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法及测量装置，采用1只收发一体式超声波换能器，通过发射信号经传感器管体另一侧内壁反射后，测量接收信号的传播时间来实现气体浓度测量，降低了超声波换能器的安装难度，减少了成本；同时通过内置的温度传感器来实现温度动态补偿，首先建立待测气体在两种浓度下的温度与声速补偿曲线；再根据当前实测温度，利用温度与声速补偿反推出两种浓度的待测气体在当前温度下的传播速度，并实时建立处浓度与传播速度的关系曲线；根据当前温度下的传播时间计算出传播速度，并带入实时曲线中即可计算出实时浓度，保证超声波氧气浓度传感器在不同温度下的测量准确性。

该对比文件中公开的超声波测量方法采用的是传统的用测量温度去补偿声速的方式，仍然容易受环境的影响。并且从原理上说明了声速还受空气浓度的影响。

CN204214517U公开了一种拥有自动校准功能的超声波液位测量系统，包括微控制器、发射电路、接收电路和超声波探头，还包括温度补偿电路，在所述超声波探头和被测目标之间设置有一金属杆，通过实测声速和温度测量进行自动校准，测量精度高，实现对液位的精确测量。

该对比文件中公开的超声波液位测量系统，虽然采用了金属管补偿的方式，但是在实际测量中还是以温度测量声速为准，以金属管做为偏移后的补偿，这样导致小范围内测量偏差比较大。另外，由于此种方法的超声波探头同一时间测量金属杆和液位，所以很容易受到虚假回波的干扰，造成测量不稳定。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种使超声波测量不受外界影响的、高稳定性和高精度的，能实时精准测量液位的基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器。

为解决本实用新型的技术问题，所采用的技术方案如下：

基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，包括：

超声波探头一，用于测量实际声速；

超声波探头二，用于测量待测物的距离；

中央处理器分别连接变压器驱动电路一和放大、滤波、整形电路一，超声波探头一设置在变压器驱动电路一和放大、滤波、整形电路一之间；

中央处理器还分别链接变压器驱动电路二和放大、滤波、整形电路二，超声波探头二设置在变压器驱动电路二和放大、滤波、整形电路二之间；

超声波探头一设置在已知固定距离处的反射物的正上方，超声波探头二设置在待测物的正上方。

中央处理器发出PWM信号经变压器驱动电路一驱动超声波探头一发射超声波，超声波遇到设置在已知固定距离处的反射物后发射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头一接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路一处理后，变成中央处理器可以捕捉采样的信号被中央处理器接收，通过中央处理器内部计算得出当时的实际声速；

然后，中央处理器发出PWM信号经变压器驱动电路二驱动超声波探头二发射超声波，超声波遇到待测物后反射回来被反射回来的超声波回波被所述超声波探头一接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路二处理后，变成中央处理器可以捕捉采样的信号被中央处理器接收；

中央处理器通过超声波探头一测得的实际声速和超声波探头二底面和待测物之间的传播时间计算得出待测物的距离。

所述中央处理器留有RS485通信接口，通过RS485通信接口连接上位机，将中央处理器测得的所述距离数据传送给上位机。

所述中央处理器还连接数模转换电路，中央处理器测得的所述距离数据也可以通过数模转换电路转换成工业场合用的4-20mA的信号。

所述中央处理器与显示设备连接，将测得的距离数据通过显示设备输出并显示，所述显示设备还用于进行参数设置。

所述中央处理器还留有继电器输出接口，所述继电器输出接口用于现地控制或报警。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型中采用两个超声波探头，并在已知固定距离处设置一块挡板，超声波探头一通过这个已知固定距离用来实时地测量实际声速，超声波探头二用测得的实际声速进行准确的超声波距离测量，因此在超声波进行液位测量时不会受到环境影响，从而大大提高了测量的可重复性和精度。

本实用新型摒弃传统的用测量温度去补偿声速的方法，采用直接测量声速的方式，因此能克服在超声波测距中因受到空气温度、压力、湿度、空气质量等方面的影响，而造成的测量精度误差和不稳定性，能大大提高测量精度和抗外界环境干扰的能力。

本实用新型超声波测距的方法中，声速测量完全使用直接测量方式，且测量声速和测量待测物采用的是分时或者独立测量，因此与对比文件CN204214517U相比，具有这更高的测量精度，抗环境干扰能力和抗虚假回波的干扰能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的测量流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步描述：

本实施例一种基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，包括：

超声波探头一11，用于测量实际声速；

超声波探头二12，用于测量待测物(待测液面)的距离；

中央处理器分别连接变压器驱动电路一和放大、滤波、整形电路一，中央处理器发出PWM信号经变压器驱动电路一驱动超声波探头一11发射超声波，超声波遇到设置在已知固定距离处的反射物2后发射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头一11接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路一处理后，变成中央处理器可以捕捉采样的信号被中央处理器接收，通过中央处理器内部计算得出当时的实际声速；

中央处理器还分别连接变压器驱动电路二和放大、滤波、整形电路二，中央处理器发出PWM信号经变压器驱动电路二驱动超声波探头二12发射超声波，超声波遇到待测物(待测液面)后反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头二12接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路二处理后，变成中央处理器可以捕捉采样的信号被中央处理器接收。

中央处理器通过超声波探头一11测得的实际声速和超声波在超声波探头二12和待测物(待测液面)之间的传播时间计算得出待测液面的距离。

所述中央处理器留有RS485通信接口，通过RS485通信接口连接上位机，将中央处理器测得的距离传送给上位机。

所述中央处理器连接数模转换电路，中央处理器测得的距离也可以通过数模转换电路转换成工业场合用的4-20mA的信号。

所述中央处理器通过外接显示接口与显示设备连接，将测得的距离L’通过显示设备输出并显示，所述显示设备还用于进行参数设置。

所述中央处理器还留有继电器输出接口，所述继电器输出接口可用于现地控制或报警。

本实施例中的超声波液位变送器测量液位的方法如下：

A、设置已知固定距离L，利用超声波探头一测出当时的实际声速V_实；

A1.在超声波探头一正下方的已知固定距离L处设置一反射物(可以为一挡板)；

A2.通过中央处理器发出发射信号，发射信号经变压器驱动电路一升压后驱动超声波探头一发送超声波，超声波探头一发送超声波时的时间为t1；

超声波探头一发送出来的超声波在遇到固定距离L处的反射物后被反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头一接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路一处理后传回给中央处理器触发采样，超声波探头一接收到超声波回波的时间为t2；

中央处理器计算超声波探头一发送超声波和接收到超声波回波的这段时间t，所述t＝t2-t1；

t1是超声波探头一发射超声波时的时间(也就是发出驱动信号的时间)，t2是超声波探头一接收到反射回来的超声波回波的时间(也就是中央处理器接收到回波信号的时间)，其中超声波探头一将超声波信号转变成电信号、然后信号的放大、滤波、整形这些时间极短，可忽略。

A3.中央处理器根据公式：V_实＝s/t＝2L/(t2-t1)，计算得出当时的实际声速V_实，并将测得的声速存储在中央处理器中；

B、利用步骤A中测得的实际声速V_实测量超声波探头二底面与待测物的距离L’；

B1.通过中央处理器发出发射信号，发射信号经变压器驱动电路二升压后驱动超声波探头二发送超声波，超声波探头二发送超声波时的时间为t1’；

超声波探头二发出来的超声波在遇到待测物(待测液面)后被反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头二接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路二处理后传回给中央处理器触发采样，超声波探头二接收到超声波回波的时间为t2’；

中央处理器计算超声波探头二发送超声波和接收到超声波回波的这段时间t’，所述t’＝t2’-t1’；

t1’是超声波探头二发射超声波时的时间(也就是发出驱动信号的时间)，t2’是超声波探头二接收到反射回来的超声波回波的时间(也就是中央处理器接收到回波信号的时间)，其中超声波探头二将超声波信号转变成电信号、然后信号的放大、滤波、整形这些时间极短，可忽略。

B2.中央处理器获取实际声速V_实，并根据公式：L’＝V_实×(1/2t’)＝1/2V_实(t2’-t1’)，计算得出超声波探头二底面与待测物(待测液面)的距离L’。

如此重复步骤A和步骤B，实现实时监测待测物(待测液面)的距离L’。

中央处理器将实时测得的数据与中央处理器中预设的报警值进行比对，若超过预设的报警值将由中央处理器发出信号给报警装置，实现对待测物距离的实时监测。

所述中央处理器将重复测得的数据保存在内存中，并在设定的一段时间内进行智能算法滤波处理，减少因待测物表面波动或传播介质的流动造成的干扰，使数据更稳定更符合实际值。

所述智能算法滤波处理是指，中央处理器设定一个时间段，假如设定的时间段为1秒，超声波测量若1秒能测量10次，那么在1秒内能测得10个数据，而实际中1秒能测得1个数据就足够快了，因此通过中央处理器进行数据处理，去掉一些干扰数据，例如：去掉3个大的数据，3个小的数据，然后剩下的4个数据求取求平均值，因此得出的数据会更加准确，提高测量的精准度。

本实施例中采用两个超声波探头，并在已知固定距离L处设置一块反射物2，超声波探头11通过已知固定距离L用来实时地测量实际声速，超声波探头12用测得的实际声速进行准确的超声波距离测量，因此在超声波进行液位测量时不会受到环境影响，从而大大提高了测量的可重复性和精度。

上述实施例是对本实用新型的进一步说明，而不是限制本实用新型的范围。不脱离本实用新型的整个技术范围，可进行各种修改和改变。

Claims (6)

1.基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，其特征在于，包括：

超声波探头一，用于测量实际声速；

超声波探头二，用于测量待测物的距离；

中央处理器，所述中央处理器分别连接变压器驱动电路一和放大、滤波、整形电路一，超声波探头一设置在变压器驱动电路一和放大、滤波、整形电路一之间；

所述中央处理器，还分别链接变压器驱动电路二和放大、滤波、整形电路二，超声波探头二设置在变压器驱动电路二和放大、滤波、整形电路二之间；

超声波探头一设置在已知固定距离处的反射物的正上方，超声波探头二设置在待测物的正上方。

2.根据权利要求1所述的基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，其特征在于，

所述中央处理器留有RS485通信接口，通过RS485通信接口连接上位机，将中央处理器测得的所述距离数据传送给上位机。

3.根据权利要求1或2所述的基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，其特征在于，

所述中央处理器还连接数模转换电路，中央处理器测得的所述距离数据也可以通过数模转换电路转换成工业场合用的4-20mA的信号。

4.根据权利要求1或2所述的基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，其特征在于，

所述中央处理器与显示设备连接，将测得的距离数据通过显示设备输出并显示，所述显示设备还用于进行参数设置。

5.根据权利要求1或2所述的基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，其特征在于，

所述中央处理器还留有继电器输出接口，所述继电器输出接口用于现地控制或报警。

6.根据权利要求1或2所述的基于双点法实测声速的高精度超声波液位变送器，其特征在于，

所述中央处理器包括中央处理器一和中央处理器二，所述中央处理器一和中央处理器二分别用于控制和处理超声波探头一和超声波探头二；

所述中央处理器一和中央处理器二之间采用通信连接。