CN205246175U - 基于一体化法实测声速的高精度超声波液位变送器 - Google Patents

Abstract

基于一体化法实测声速的高精度超声波液位变送器，包括：超声波探头和中央处理器，中央处理器连接传动机构，传动机构连接反射物；传动机构用于在接收中央处理器发出的驱动信号后，将反射物移动到超声波探头正下方测量实际声速，还用于在测量声速后，接收中央处理器发出的收回信号，将发射物移出超声波探头测量范围；中央处理器连接变压器驱动电路和放大、滤波、整形电路，超声波探头设置在两电路之间。本实用新型通过中央处理器驱动传动机构控制反射物移动到超声波探头下方固定距离处，测得声速；并在反射物移出超声波探头测量范围后，用上一次测量的声速测量液位，如此使得超声波测量不受外界环境的影响，可有效提高测量的可重复性和精度。

Description

基于一体化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一体化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一体化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：

基于一体化法实测声速的高精度超声波液位变送器，包括超声波探头和中央处理器:

中央处理器连接一传动机构，传动机构连接一反射物；

所述传动机构用于在接收中央处理器发出的驱动信号后，将与传动机构连接的反射物移动到超声波探头正下方，用于测量实际声速；所述传动机构还用于在测量实际声速后，接收中央处理器发出的收回信号，将发射物移出超声波探头测量范围；

所述中央处理器连接变压器驱动电路和放大、滤波、整形电路，所述超声波探头设置在变压器驱动电路和放大、滤波、整形电路之间；

所述变压器驱动电路，用于在接收中央处理器发出PWM信号后驱动超声波探头先后向位于超声波探头正下方的反射物或待测物发射超声波，超声波遇到反射物或待测物反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头接收，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、整形电路的处理后被中央处理器接收；

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。

进一步地，

所述传动机构为电动传动机构；

所述电动传动机构包括电机，电机控制器和设置在传动轴上的定位机构，电机控制器与中央处理器信号连接，通过中央处理器控制电机控制器去驱动电机执行相应动作。

进一步地，

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。

进一步地，

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。

进一步地，

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：

本实用新型在超声波液位变送器的单片机上连接一个传动机构，通过分时复用的方式，周期性的控制挡板移动到超声波探头下方固定距离位置，然后测得当时的实际声速。当挡板移出超声波探头测量范围后，又将上一次测量的声速用作下一次液位测量时所用的实际声速。因此，每一小段时间的液位测量都是先采用传动机构移动挡板进行声速采样，然后通过采样的实际声速进行正常的液位测量。如此使得超声波测量不受外界环境的影响，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：

如图1、图2所示：

本实施例一种基于一体化法实测声速的高精度超声波液位变送器，包括：

包括超声波探头1和中央处理器：

中央处理器连接一传动机构3，传动机构3连接一反射物(所述反射物可以为挡板)2；

所述传动机构3用于在接收中央处理器发出的驱动信号后，将与传动机构3连接的反射物2移动到超声波探头1正下方，用于测量实际声速；所述传动机构3还用于在测量实际声速后，接收中央处理器发出的收回信号，将发射物2移出超声波探头测量范围；

所述中央处理器连接变压器驱动电路和放大、滤波、整形电路，所述超声波探头设置在变压器驱动电路和放大、滤波、整形电路之间；

所述变压器驱动电路，用于在接收中央处理器发出PWM信号后驱动超声波探头1先后向位于超声波探头1正下方的反射物2或待测物(待测液面)发射超声波，超声波遇到反射物2或待测物(待测液面)反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头接收，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、整形电路的处理后被中央处理器接收。

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

所述中央处理器通过外接显示接口与显示设备连接，将测得的距离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。

本实施例中的传动机构3为为电动传动机构；

所述电动传动机构包括电机，电机控制器和设置在传动轴上的定位机构，电机控制器与中央处理器信号连接，通过中央处理器控制电机控制器去驱动电机执行相应动作。

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：

步骤A、设置已知固定距离，利用超声波摄像头测出当时的实际声速V_实

A1.在中央处理器上连接一传动机构3，传动机构3相连一反射物2，通过中央处理器发出信号给传动机构3，驱动传动机构3将反射物2移动到超声波探头1正下方的已知固定距离L处；

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升压后驱动超声波探头1发送超声波，超声波探头1发送超声波时的时间为t1；

超声波探头1发送出来的超声波在遇到固定距离L处的反射物2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1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、整形电路处理后传回给中央处理器触发采样，中央处理器接收到超声波回波信号的时间为t2；

中央处理器计算超声波探头1发送超声波和中央处理器接收到回波信号的这段时间t，所述t＝t2-t1；

t1是超声波探头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；

步骤B0：通过中央处理器发出信号给传动机构3，驱动传动机构3收回，将所述反射物2移出超声波的测量范围；

B、利用步骤A中测得的实际声速测量待测物(待测液面)的距离L’

B1.通过中央处理器给出PMW发射信号，发射信号经经变压器驱动电路升压后驱动超声波探头1发送超声波，超声波探头1发送超声波时的时间为t1’；

超声波探头1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1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、整形电路处理后传回给中央处理器触发采样，中央处理器接收到超声波回波信号的时间为t2’；

中央处理器计算超声波探头1发送超声波和中央处理器接收到回波信号的这段时间t’，所述t’＝t2’-t1’；

t1’是超声波探头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底面与待测液面的距离L’。

重复步骤A和步骤B，实现实时监测待测液面的距离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(待测液面)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。

本实施例在超声波液位变送器的中央处理器上连接一个传动机构3，通过分时复用的方式，周期性的控制反射物2移动到超声波探头1下方固定距离位置，然后测得声速，当反射物2移出超声波探头测量范围时，又将上一次测量的声速用作下一次液位测量时所用得声速。因此，每一小段时间的液位测量都是先采用传动机构3移动反射物2进行声速采样，然后通过采集的声速进行正常的液位测量。如此使得超声波测量不受外界环境的影响，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 (5)

1.基于一体化法实测声速的高精度超声波液位变送器，包括超声波探头和中央处理器，其特征在于，

中央处理器连接一传动机构，传动机构连接一反射物；

所述传动机构用于在接收中央处理器发出的驱动信号后，将与传动机构连接的反射物移动到超声波探头正下方，用于测量实际声速；所述传动机构还用于在测量实际声速后，接收中央处理器发出的收回信号，将发射物移出超声波探头测量范围；

所述中央处理器连接变压器驱动电路和放大、滤波、整形电路，所述超声波探头设置在变压器驱动电路和放大、滤波、整形电路之间；

所述变压器驱动电路，用于在接收中央处理器发出PWM信号后驱动超声波探头先后向位于超声波探头正下方的反射物或待测物发射超声波，超声波遇到反射物或待测物反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头接收，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、整形电路的处理后被中央处理器接收；

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。

2.根据权利要求1所述的基于一体化法实测声速的高精度超声波液位变送器，其特征在于，

所述传动机构为电动传动机构；

所述电动传动机构包括电机，电机控制器和设置在传动轴上的定位机构，电机控制器与中央处理器信号连接，通过中央处理器控制电机控制器去驱动电机执行相应动作。

3.根据权利要求1或2所述的基于一体化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。

4.根据权利要求1或2所述的基于一体化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。

5.根据权利要求1或2所述的基于一体化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。