專利名稱：自帶氣體聲速實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的超聲波液位計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量液位的方法及其測量裝置，具體說，是利用多束超聲波測量
液位的方法及其測量裝置。
背景技術(shù)：
目前，超聲波液位計(jì)在工業(yè)控制中用途廣泛，相比與其它測量方法具有安全無輻 射，安裝方便，使用壽命長等特點(diǎn)。常用的超聲波液位測量技術(shù)有傳感器放置于液體中和放 置于液面上氣體介質(zhì)中兩種方式。 超聲波傳感器置于液體中的方式容易達(dá)到較高的精度，但測量裝置會受到液體殘 渣油污沉積，受腐蝕性影響，而且檢修不方便。超聲波傳感器放置于液面上氣體介質(zhì)中的方 式使用方便，維護(hù)成本較低，但測量結(jié)果的準(zhǔn)確性需要依賴于氣體聲速的準(zhǔn)確性?？諝饨咏?于理想氣體其聲速主要受溫度影響，可由公式
C = 331. 3+(0. 606T)m/s 計(jì)算得到，其中T為氣體溫度。當(dāng)介質(zhì)接近于理想氣體(如空氣)并且氣體溫度精
確已知時(shí)，有可能達(dá)到比較高的精度，但工業(yè)控制過程中被測量的實(shí)際系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，
氣體溫度往往是一個(gè)變化的參數(shù)，液位測量很難達(dá)到高精度。對于在非理想氣體環(huán)境中，計(jì)
算時(shí)還要引入壓力數(shù)據(jù)，使得測量裝置更為復(fù)雜，精度更難以達(dá)到要求。 目前常用的超聲波液位計(jì)大多使用單個(gè)超聲波探頭，需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)或現(xiàn)場校
準(zhǔn)，實(shí)際使用成本較高。另外由于使用單個(gè)超聲波探頭無法使用相關(guān)性算法等先進(jìn)的數(shù)字
信號處理技術(shù)，在信噪比較差的應(yīng)用中例如測量多相液位，強(qiáng)衰減性氣體介質(zhì)等應(yīng)用中，會
造成液位測量不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述超聲波液位計(jì)技術(shù)存在的不足，提供了一種不受氣 體介質(zhì)聲速變化影響的超聲波液位測量方法，以及一種高精度高可靠性的測量裝置，在測 量液位的同時(shí)還可以測量氣體介質(zhì)的溫度。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種液位測量方法，包括以下測 量步驟 a、設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)位于液面上方的超聲波傳感器；
b、各超聲波傳感器之間有固定的已知高度差； C、分別測量出每個(gè)傳感器發(fā)出的聲波經(jīng)液面反射在氣體中的往返飛行時(shí)間；
d、計(jì)算出各束聲波的飛行時(shí)間差； e、用高度差比時(shí)間差計(jì)算出氣體介質(zhì)的聲速； f 、將聲速與超聲波的飛行時(shí)間相乘，得出液位高度。 所述超聲波傳感器發(fā)出的超聲波在空氣介質(zhì)中傳播。 在測量液位的同時(shí)可以間接測量氣體介質(zhì)的溫度。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明一種液位測量裝置，包括測量探頭和電子裝置，所述測量探頭由兩個(gè)
或多個(gè)超聲波傳感器組成，各個(gè)傳感器間具有固定的已知高度差。 所述電子裝置中運(yùn)行程序?qū)Τ暡ㄐ盘栠M(jìn)行控制和檢測。 所述超聲波傳感器的工作頻率在25KHZ到2MHZ之間，各個(gè)超聲波傳感器的工作頻 率可以相同，也可以且互不相同。 本發(fā)明在獲得液位結(jié)果的同時(shí)還可以得到和顯示氣體介質(zhì)的聲速和溫度參數(shù)。
與現(xiàn)有技術(shù)上比，具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 1、可以實(shí)時(shí)檢測的氣體聲速，根本上解決超聲波液位計(jì)精度穩(wěn)定性問題。 2、測量時(shí)間差的精度遠(yuǎn)超過直接測量飛行時(shí)間的精度，從而可以非常精確地計(jì)算
出氣體聲速。 3、由于可以計(jì)算得到實(shí)時(shí)的氣體聲速，無須現(xiàn)場校準(zhǔn)就可以直接在各種氣體介質(zhì) 中測量液位，包括非理想氣體環(huán)境中使用，大大簡化了現(xiàn)場安裝和儀表維護(hù)的難度。
4、高可靠性，在一個(gè)傳感器失效的情況下仍可繼續(xù)工作，直到維修或更換系統(tǒng)。
5、強(qiáng)適應(yīng)性，可以使用多道信息進(jìn)行數(shù)字信號處理壓制噪音，使之可以應(yīng)用于弱 信號，強(qiáng)衰減的環(huán)境。 6、由氣體聲速可以反算出溫度，得到一個(gè)附加的過程控制參數(shù)。對于理想氣體計(jì)
算出溫度的精度可遠(yuǎn)高于直接測量的精度。 7、與接入溫度輸入方法比可以降低成本， 8、氣體聲速本身可以作為監(jiān)控氣體性質(zhì)的一個(gè)參數(shù)。


圖1為本發(fā)明測量方法和裝置使用兩個(gè)超聲波傳感器，每個(gè)傳感器都發(fā)射并接收 信號的一種實(shí)施方式的示意圖。 圖2為本發(fā)明測量方法和裝置使用一個(gè)超聲波發(fā)射傳感器和兩個(gè)接收傳感器的 一種實(shí)施方式的示意圖。 圖3為本發(fā)明測量方法的系統(tǒng)控制，信號處理以及參數(shù)計(jì)算的一種實(shí)施方式的流 程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，以較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。 本發(fā)明采用至少兩個(gè)超聲波傳感器，每個(gè)超聲波傳感器有固定的高度差，根據(jù)傳 感器間的飛行時(shí)間差計(jì)算出氣體介質(zhì)的聲速和液位的高度。圖1和圖2顯示了兩種可能的 超聲波探頭實(shí)施方法，圖3顯示了系統(tǒng)控制，信號處理和參數(shù)計(jì)算的流程。未顯示的還可能 有多種具體實(shí)施方式
都符合本專利多傳感器，具高度差，實(shí)時(shí)計(jì)算聲速的本質(zhì)。
本發(fā)明的測量裝置包括四個(gè)部分液位測量探頭、電子裝置、測控嵌入式軟件和堅(jiān) 固裝置。液位測量探頭由兩個(gè)或多個(gè)超聲波傳感器組成。各個(gè)傳感器間有固定的已知高度 差。電子裝置由超聲波發(fā)射電路，信號接收和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，以及微處理器等主要部分組 成。測控嵌入式軟件，在微處理器上運(yùn)行對數(shù)字信號進(jìn)行處理并計(jì)算出液位和氣體介質(zhì)溫 度等結(jié)果。緊固裝置，使液位測量探頭能夠準(zhǔn)確穩(wěn)固地安裝于液面上方。測量探頭與電子裝置可以安裝為一體，也可以分體安裝通過電纜連接。 另外，超聲波傳感器的工作頻率可以根據(jù)應(yīng)用需要在很大范圍內(nèi)設(shè)計(jì)選擇，例如 從25KHz到2MHz。每個(gè)超聲波傳感器的工作頻率可以互不相同，以減少聲道間信號相互干 擾。 采用本發(fā)明的液位測量方法，具體操作如下(參考圖3): a、將液位測量探頭安裝于液面上方并連接好電子裝置； b、將每個(gè)超聲波傳感器之間的高度差的固定值輸入測量電子裝置； c、電子裝置控制超聲波的發(fā)射和信號接收；； d如果信號信躁比不理想，可以使用多道信號進(jìn)行相關(guān)性處理減少噪音信號； e、嵌入式軟件分別測量出每個(gè)傳感器接收的超聲波在氣體中的飛行時(shí)間； f、計(jì)算出每兩束聲波的飛行時(shí)間差； g、用高度差比時(shí)間差計(jì)算出氣體的聲速； h 、將聲速與超聲波的飛行時(shí)間相乘得出液位高度。 如果已知?dú)怏w聲速與溫度之間的關(guān)系，本發(fā)明可根據(jù)測得的聲速計(jì)算出氣體介質(zhì) 的溫度。例如對于理想氣體可以使用公式
T = (C-331. 3)/0. 606 其中C為已經(jīng)通過飛行時(shí)間差方法測出的氣體的聲速。
實(shí)施例1 如圖1所示，使用兩個(gè)超聲波傳感器，它們之間錯(cuò)開一個(gè)固定的高度差D，假設(shè)氣
體聲速C和液位高度H為未知量，測量得到傳感器1的聲波在氣體中的飛行時(shí)間Tl和傳感
器2的聲波在氣體中的飛行時(shí)間T2，根據(jù)飛行時(shí)間飛行距離和聲速之間的關(guān)系可以得到以
下方程組 Tl = 2*H/C T2 = (2*H+2*D) /C 兩束聲波的時(shí)間差 DT = T2-T1 = 2*D/C 這樣可以得到聲速和液位高度 C = 2*D/DT H = OT1/2 如果兩個(gè)超聲波傳感器同時(shí)發(fā)射信號，則DT可以通過對兩個(gè)接收信號進(jìn)行相關(guān) 性處理直接得到，這種方法比使用Tl和T2的差值的方法準(zhǔn)確性高很多，受噪音信號影響 小。 聲速測量的精度
由時(shí)差測量誤差造成的聲速誤差
dC/dDT =-2*D/DT2 =-C2/(2*D)
I dC I = C2/ (2*D) *dDT 采用相關(guān)性或其它信號處理技術(shù)，一般飛行時(shí)間差的檢測精度可以達(dá)到50納秒 以下，以高度差設(shè)計(jì)D為0. 1米計(jì)算，在聲速C為340M/S附近，聲速測量的誤差為
I dC I = 3402/ (2*0. 1) *10*10—9 = 0 . 0 2 89M/S
5
百分比誤差為 0. 0289/340*100 = 0. 0085% 這樣的精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液位測量的需要。如果是理想氣體，由聲速反算的溫度值
也會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通溫度測量的精度(0. 5度)。 與以上方法相似，可以使用兩個(gè)以上的傳感器達(dá)到目的。 實(shí)施例2 如圖2所示，使用三個(gè)超聲波傳感器，其中一個(gè)超聲波發(fā)射傳感器和兩個(gè)接收傳
感器。從傳感器1到3每一個(gè)錯(cuò)開一個(gè)固定的高度差D，假設(shè)氣體聲速C和液位高度H為未
知量，測量得到從傳感器3到傳感器1的聲波飛行時(shí)間Tl和從傳感器3到傳感器2的聲波
飛行時(shí)間T2，根據(jù)飛行時(shí)間飛行距離和聲速之間的關(guān)系可以得到以下方程組 Tl = (2*H_2*D)/C T2 = (2*H+2*D) /C 兩束聲波的時(shí)間差 DT = T2-T1 = 4*D/C 這樣可以得到聲速和液位高度 C = 4*D/DT H = C*(Tl+T2)/2 使用一個(gè)固定超聲波發(fā)射傳感器的方法兩個(gè)接收信號的來源是完全相同的，這樣
可以直接進(jìn)行相關(guān)性處理直接得到，這種方法比使用T1和T2的差值的方法準(zhǔn)確性高很多，
受噪音信號影響小。使用這種方法的另一個(gè)好處是不必切換超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射接收
狀態(tài)，簡化電路設(shè)計(jì)。 聲速測量的精度 由時(shí)差測量誤差造成的聲速誤差 dC/dDT =-4*D/DT2 =-C2/4*D I dC I = C2/ (4*D) *dDT 可見聲速誤差是實(shí)施方法1中的一半。 計(jì)算氣體溫度的方法和精度與實(shí)施方法1中所述的相同。
權(quán)利要求
一種液位測量方法，其特征在于，包括以下測量步驟a、設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)位于液面上方的超聲波傳感器；b、各超聲波傳感器之間有固定的已知高度差；c、分別測量出每個(gè)傳感器發(fā)出的聲波經(jīng)液面反射在氣體中的往返飛行時(shí)間；d、計(jì)算出各束聲波的飛行時(shí)間差；e、用高度差比時(shí)間差計(jì)算出氣體介質(zhì)的聲速；f、將聲速與超聲波的飛行時(shí)間相乘，得出液位高度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液位測量方法，其特征在于，所述超聲波傳感器發(fā)出的超聲波在空氣介質(zhì)中傳播。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液位測量方法，其特征在于，在測量液位的同時(shí)可以間接測量氣體介質(zhì)的溫度。
4. 一種液位測量裝置，其特征在于包括測量探頭和電子裝置，所述測量探頭由兩個(gè)或多個(gè)超聲波傳感器組成，各個(gè)傳感器間具有固定的已知高度差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的液位測量裝置，其特征在于，電子裝置中運(yùn)行程序?qū)Τ暡ㄐ盘栠M(jìn)行控制和檢測。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的液位測量裝置，其特征在于，所述超聲波傳感器的工作頻率在25KHZ到2腿Z之間，各個(gè)超聲波傳感器的工作頻率可以相同，也可以且互不相同。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的液位測量裝置，其特征在于，在獲得液位結(jié)果的同時(shí)還可以得到和顯示氣體介質(zhì)的聲速和溫度參數(shù)。
全文摘要
一種液位測量方法，使用多個(gè)位于液面上方的超聲波傳感器，各超聲波傳感器之間有固定的已知高度差，分別測量出每個(gè)傳感器發(fā)出的聲波經(jīng)液面反射在氣體中的往返飛行時(shí)間，再計(jì)算出各束聲波的飛行時(shí)間差，用高度差比時(shí)間差計(jì)算出氣體介質(zhì)的聲速，最后由聲速與超聲波的飛行時(shí)間相乘，得出所要測量的液位高度。該液位測量方法由專用的測量裝置來實(shí)現(xiàn)，其包括測量探頭和電子裝置，測量探頭由兩個(gè)或多個(gè)超聲波傳感器組成。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)精確測量出液位高度，不受氣體介質(zhì)的影響，精度穩(wěn)定性高，測量裝置現(xiàn)場校準(zhǔn)和維護(hù)簡便。
文檔編號G01H5/00GK101769777SQ20081022053
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者劉風(fēng)華 申請人:廣州昉時(shí)工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)有限公司