專利名稱：一種氣介式自標定超聲波液位測量方法及其液位計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液位計，特別涉及一種氣介式自標定超聲波液位(距離)測量方法，本發明還涉及利用上述方法的液位計。
背景技術：
采用超聲波測距技術的液位計廣泛應用于水文、水利工程、市政工業過程檢測和控制，同時在各種礦山、井下等易燃易爆場合觀測液位或倉儲物位，但在目前使用的超聲波測距技術中，應用最多的是脈沖回波檢測法，其原理是通過超聲波傳感器發射超聲波，并接收從被測目標反射回來的回波信號，確定超聲脈沖從發射到接收的時間，然后再根據超聲波傳播的速度，計算出超聲波傳感器與被測物體之間的距離。但是超聲波在介質中的傳播速度與介質材料、環境溫度、濕度等因素有關，因此測量精度有限。常見的提高檢測精度的方法是溫度補償法，但是溫度補償只能取一點、或多點的溫度，不能連續的取得整個超聲波傳播過程中的溫度，因此采取溫度補償辦法存在缺陷。而且超聲波聲速不僅僅與溫度有關，還與濕度、氣壓、空氣質量等等因素有關，不可能一一對各種因素校正。這種采用溫度補償的辦法只能在很小程度上提高測量精度，但是無法實現精確測量。
發明內容
本發明的目的在于提供一種氣介式自標定超聲波液位測量方法及其液位計，實現對液位(距離)的精確測量，測量精度不受空氣質量因素的影響。本發明的目的通過以下技術方案實現一種氣介式自標定超聲波液位測量方法， 包括將一個發射/接收于一體的超聲波換能器置于一端平面上，或者分別用一個發射超聲波的超聲波換能器與另一個用于接收超聲波的超聲波換能器置于同一端平面，在端平面與被測液面之間固定設置可部分反射所發射超聲波的桿狀對象作為校正量具，通過設定的校正量具與端平面的已知固定精確距離來校正獲得端平面與被測液面的距離，實現高精度超聲波液位測量。本發明的測量方法包括如下步驟(I)測量獲得校正量具與端平面的距離為hQ ；(2)測量獲得超聲波經發射傳播至校正量具后，反射回來接收所用的時間h ；(3)測量獲得超聲波經發射傳播至被測液面后，反射回來接收所用的時間t ；(4)計算出端平面與被測液面的距離& = f奐。
1O本發明所述超聲波換能器發射的超聲波是通過固定間隙的多組波激勵發射，以獲得較大的激勵能量。本發明的另一個目的是通過以下技術方案實現—種利用上述方法的氣介式自標定超聲波液位計，包括殼體及安裝于殼體上的超聲波換能器、控制單元和校正量具，所述發射換能器的發射端與接收端處于同一端平面；所述校正量具設于超聲波換能器與被測液面之間，并與所述端平面平行；所述控制單元包括單片機、發射輸出電路、數據存儲電路、接收輸入電路、通信電路和工作電源電路，單片機通過發射輸出電路激勵發射換能器發射超聲波，超聲波傳播至校正量具后一部分被校正量具反射回接收換能器并被轉換成電信號，另一部分傳播至被測液面反射回接收換能器并被轉換成電信號，再經接收輸入電路將兩部分電信號根據時間序列分別輸入至單片機的相應檢測端口進行數據處理，獲得所需的液位或距離數據，再經通信電路輸出數據，并由存儲電路存儲數據；由工作電源電路向各部分電路提供所需的電源。通過本發明的氣介式自標定超聲波液位測量方法，則可由單片機計算處理獲得被測液位數據。在上述基礎上，本發明可作如下改進本發明所述發射輸出電路具有隔離變壓器，該發射輸出電路通過變壓器隔離后激勵發射換能器發出超聲波，以隔離后續超聲波的震動。本發明所述校正量具為一金屬桿，該金屬桿兩端通過兩支撐臂固定于殼體上，以使校正量具獲得半反射半透射超聲波功能。本發明所述金屬桿在端平面的投影位于兩超聲波換能器之間，所述發射換能器與接收換能器之間設有擋板，以防止聲短路。本發明還可設置所述金屬桿在端平面的投影位于兩超聲波換能器端面的中心連線上。此外，本發明所述的超聲波換能器采用一個發射/接收于一體的超聲波換能器; 或者由一個為發射超聲波用的發射換能器和一個為接收超聲波用的接收換能器組成。與現有技術相比，該發明技術具有以下優點(I)本液位計在兩超聲波換能器與液面之間設置有校正量具，通過校正量具的校正，被測液位只與Iv h、t有關，與超聲波在空氣中的傳播速度無關，本液位計測量液位時故不受溫度、濕度、氣壓、空氣質量等因素的影響，起到了自標定作用，從而獲得較高的測量精度；(2)通過固定間隙的多組波激勵發射的超聲波精確測量液位，獲得的超聲波能量大，適用于各種需要連續實時檢測距離或液位的場合。
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圖10是圖8的D-D剖視圖。圖中，I、發射換能器；2、接收換能器；3、校正量具；4、空氣介質；5、被測液面；6、殼體；7、擋板，8、支撐臂。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進一步加以闡述。實施例一如圖I所示,一種氣介式自標定超聲波液位測量方法,包括(I)將兩個超聲波換能器置于同一端平面，并位于端平面與被測液面相距為h的上方，其中一個超聲波換能器用于發射超聲波，另一個用于接收超聲波，距離h即為需要測量獲得的液位；本實施例中，將一個超聲波換能器的發射端端面與另一超聲波換能器的接收端端面設置成處于同一水平面，且將發射端和接收端正對準被測液面；此外，也可采用一個發射/接收超聲于一體的超聲波換能器，即該超聲波換能器同時具備發射和接收超聲波的功能，并保證發射超聲波的發射端與接收端的端口處于同一端平面；將可部分反射所發射超聲波的校正量具固定設置在超聲波換能器與被測液面之間，測量獲得校正量具與端平面的距離為％，將校正量具設置成與端平面平行；校正量具可設置成桿狀；(2)測量獲得超聲波經發射傳播至校正量具后，反射回來接收所用的時間h ；(3)測量獲得超聲波經發射傳播至被測液面后，反射回來接收所用的時間t ；(4)超聲波在空氣中傳播的速度為C，則端平面與被測液面的距離A =，校正量
具與端平面的距離\ =，因校正量具為固定設置，故％為可測量獲得的精確數據，為已知量，從而通過校正量具與端平面的已知固定精確距離來自校正(即自標定)計算出端平面與被測液面的距離:h = γΚ，端平面與被測液面的距離h也即被測液面的液位，即h為測
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量得出的液位值。其中，通過固定間隙的多組波激勵發射用的超聲波換能器發射出超聲波，將多脈沖通過變壓器放大后加在超聲波換能器兩端作為激勵，實現單位時間內對距離或液面的實時測量。超聲波換能器在激勵后，發射出超聲波，多脈沖激勵的方式增加了超聲波的能量， 可最大測量12m的距離。而激勵結束后超聲波換能器并不是立即停止，還會延續震動一段時間，但由于發射換能器用變壓器完全隔離，因此后續的震動并不影響接收輸入電路的接收，使得測量盲區減小。由以上測量步驟可知，本方法對液位的測量只與V V t有關，與超聲波在空氣中的傳播速度無關，故不受溫度、濕度、氣壓、空氣質量等因素的影響，起到了自標定(或稱自校準、自校正)的功能。因此，只要有精確的時間測量值和精確的校正量具距離值，則可以實現高精度距離或液位的測量。如圖2-5所不,利用上述的超聲波液位測量方法,本實施例的一種氣介式自標定超聲波液位計，它包括殼體6及安裝于殼體6上的超聲波換能器、控制單元和校正量具。其中，殼體6呈喇叭形，使用時將其喇叭開口朝向被測液位，利于超聲波的發射與接收；校正量具為半透半反射超聲波的校正量具3，即具有一部分透射一部分反射超聲波的功能，該校正量具為一金屬桿，金屬桿兩端通過兩支撐臂8固定于殼體上,金屬桿可米用直徑為3mm 5mm的不銹鋼材料的圓桿(鋼條)。校正量具3和兩支撐臂8可直接采用一條不銹鋼鋼條彎制而成，由于兩支撐臂8 所反射超聲波的比率小，故不影響校正量具3反射超聲波而自校正測量液位。本實施例的超聲波換能器為兩個，一個為發射超聲波用的發射換能器I，另一個為接收超聲波用的接收換能器2，兩超聲波換能器處于同一端平面，金屬桿設于超聲波換能器與被測液面5之間，使金屬桿在端平面的投影位于兩超聲波換能器之間，并將金屬桿設置成與端平面平行，金屬桿通過兩支撐臂8的固定，保證了金屬桿與端平面的距離固定，而與金屬桿與端平面的距離可在40mm 50mm的范圍內選擇，以利于實現金屬桿的最佳反射與透射效果。如圖I所示，由發射換能器I發出的超聲波將經空氣介質4傳播至校正量具3 和被測液面5，并分別被校正量具3和被測液面反射回接收換能器2。在發射換能器I與接收換能器2之間設有擋板7，以防止聲短路。如圖6所示，本實施例的控制單元包括單片機、發射輸出電路、數據存儲電路、接收輸入電路、通信電路和工作電源電路，單片機通過發射輸出電路激勵發射換能器發射超聲波，超聲波傳播至校正量具后一小部分被校正量具反射回接收換能器并被轉換成電信號，另一大部分傳播至被測液面反射回接收換能器并被轉換成電信號，再經接收輸入電路將兩部分電信號根據時間序列先后分別輸入至單片機的相應檢測端口進行數據處理，獲得所需的液位或距離數據，再經通信電路輸出數據，并由存儲電路存儲數據；由工作電源電路向各部分電路提供所需的電源。通過本氣介式自標定超聲波液位測量方法，則可由微處理器計算獲得被測液位。其中，單片機用于處理上述兩部分電信號，獲得時間t和h后根據已設定好的hQ 計算得出液位值h。本實施例的單片機采用NEC單片機，型號為UPD78F0881 (A) (78K0/FC2系列)，該單片機為8位單片機，32K ROM, 1024Bytes內部高速RAM，1024Bytes外部擴展RAM，共有44個腳，有兩組UART 口 UART60與UART61，一個CAN收發接口。也可采用型號為uPD78F0882 (48K ROM，1024Bytes 內部高速 RAM，2048bytes 外部擴展 RAM)或型號為 uPD78F0883 (60K ROM, 1024Bytes內部高速RAM，2048Bytes外部擴展RAM)的單片機。單片機的PWM 口輸出40K頻率的方波，方波個數5個，形成多脈沖激勵，通過三極管將5V方波轉換成12V方波，再通過雙路高速反相MOSFET驅動器TPS2811驅動IRF320型 MOS管，發射輸出電路中的變壓器將12V方波升壓到100V方波，加到發射換能器兩端激勵， 即發射輸出電路通過變壓器隔離后激勵發射換能器發出超聲波，由于發射換能器用變壓器完全隔離，因此后續超聲波震動并不影響接收換能器的回波接收，測量盲區減小。數據存儲電路采用24C02芯片的常規數據存儲電路。接收輸入電路用于對接收的超聲波進行處理，它包括依次相連的放大電路、濾波電路、比較電路和整形電路,超聲波的回波信號為毫伏級40K頻率的正弦波信號,先經放大電路的LM324芯片兩級放大400倍，再進入包括MAX275帶通濾波器構成的濾波電路，帶通濾波器中心頻率40K，帶寬2K。通過濾波后的信號經過IN60檢波二極管，去掉噪音與信號負半部分，再進入放大電路的LM324芯片進行第三級放大20倍得到信號RV6。比較電路的
6REF3212芯片產生基準電壓，由比較電路的MAX903芯片將信號RV6與基準電壓進行比較，得出信號RV7，信號RV7再依次進入整形電路的74LS122芯片、74HC04芯片進一步整形，最后信號INT進入單片機。本實施例的通信電路用于將控制單元單片機處理計算獲得的液位數據輸出至外部設備，本通信電路采用型號為ADM2483的485通信芯片的前級穩壓芯片隔離485芯片，采用BS0505-1W型DC-DC獲取隔離電源。485總線上面加入瞬態抑制二極管保護以及加入放電管來保護，用兩個電阻以及自恢復保險管限制總線電流，形成隔離總線，防止因短路、雷擊造成的總線大電流對液位計系統的影響。本實施例的工作電源電路包括用于整個液位計系統供電的第一電源電路和用于給單片機、通信電路供電的第二電源電路，兩電源電路為現有常規電源輸入電路。第一電源電路為整個液位計提供12V供電。第一電源電路接入外部12V電壓經過二極管后過電容進行高、低頻濾波，最后通過電感輸出。二極管可以防止輸入電源接反的情況下對元件的保護。電感的作用是防止系統電流突變引起電壓變化。回路中串入500毫安自恢復保險，防止出現大電流故障時系統癱瘓，并保護其它元件。由于單片機和通信電路需要一直供電，對于這部分電源電路要求穩定、溫漂小，輸出有一定負載能力，同時靜態功耗也要低，所以第二電源電路的降壓芯片采用MC78LC05芯片，輸出能力80毫安，靜態功耗100微安，滿足單片機與通信電路的總電流不會超過50毫安的要求。本實施例還可設置電子開關電路，用于對發射輸出、放大、濾波、整形電路部分元件電源的選擇性接通或斷開，可采用現有常規電子開關電路，不一一例舉。本實施例的測量方法和液位計也可用于其它被測物的距離測量。實施例二如圖7-10所示為本發明一種氣介式自標定超聲波液位計的實施例二，本實施例二與實施例一的不同之處在于本實施例中，將實施例一的金屬桿位置在水平方向上旋轉 90°，使金屬桿在端平面的投影位于兩超聲波換能器端面的中心連線上，并保證金屬桿與兩支撐臂8所處的平面與兩超聲波換能器的端平面垂直。由發射換能器I發出的超聲波將經空氣介質4可傳播至校正量具3和被測液面，并分別被校正量具3和被測液面反射回接收換能器2，同樣可自標定測量液位。此外，為簡化結構，本實施例中省去了擋板7。本發明的實施方式不限于此，根據上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，例如校正量具也可采用其它具有半透半反射超聲波效果的材質，校正量具在端平面上的投影與兩超聲波端面中心連線的夾角也可設為其它任意角度，同樣可起到半透半反射超聲波的效果，均可實現本發明目的。
權利要求
1.一種氣介式自標定超聲波液位測量方法，其特征在于包括將一個發射/接收于一體的超聲波換能器置于一端平面上，或者分別用一個發射超聲波的超聲波換能器與另一個用于接收超聲波的超聲波換能器置于同一端平面，在端平面與被測液面之間固定設置可部分反射所發射超聲波的桿狀對象作為校正量具，通過設定的校正量具與端平面的已知固定精確距離來校正獲得端平面與被測液面的距離，實現高精度超聲波液位測量。
2.根據根據權利要求I所述的氣介式自標定超聲波液位測量方法，其特征在于包括如下步驟(1)測量獲得校正量具與端平面的距離為％；(2)測量獲得超聲波經發射傳播至校正量具后，反射回來接收所用的時間h；(3)測量獲得超聲波經發射傳播至被測液面后，反射回來接收所用的時間t；(4)計算出端平面與被測液面的距離6= 。1O
3.根據權利要求I所述的氣介式自標定超聲波液位測量方法，其特征在于所述超聲波換能器發射的超聲波是通過固定間隙的多組波激勵發射。
4.一種利用權利要求I所述方法的氣介式自標定超聲波液位計，其特征在于包括殼體及安裝于殼體上的超聲波換能器、控制單元和校正量具，所述超聲波換能器的發射端與接收端處于同一端平面；所述校正量具設于超聲波換能器與被測液面之間，并與所述端平面平行；所述控制單元包括單片機、發射輸出電路、數據存儲電路、接收輸入電路、通信電路和工作電源電路，單片機通過發射輸出電路激勵發射換能器發射超聲波，超聲波傳播至校正量具后被校正量具反射一部分回接收換能器并被轉換成電信號，另一部分傳播至被測液面反射回接收換能器并被轉換成電信號，再經接收輸入電路將兩部分電信號根據時間序列分別輸入至單片機的相應檢測端口進行數據處理，獲得所需的液位或距離數據，再經通信電路輸出數據，并由存儲電路存儲數據；由工作電源電路向各部分電路提供所需的電源。
5.根據權利要4所述的氣介式自標定超聲波液位計，其特征在于所述發射輸出電路具有隔離變壓器，該發射輸出電路通過變壓器隔離后激勵發射換能器發出超聲波。
6.根據權利要4或5所述的氣介式自標定超聲波液位計，其特征在于所述校正量具為一金屬桿，該金屬桿兩端通過兩支撐臂固定于殼體上。
7.根據權利要6所述的氣介式自標定超聲波液位計，其特征在于所述金屬桿在端平面的投影位于兩超聲波換能器之間。
8.根據權利要7所述的氣介式自標定超聲波液位計，其特征在于所述的發射換能器與接收換能器之間設有防止聲短路的擋板。
9.根據權利要6所述的氣介式自標定超聲波液位計，其特征在于所述金屬桿在端平面的投影位于兩超聲波換能器端面的中心連線上。
10.根據權利要4所述的氣介式自標定超聲波液位計，其特征在于所述的超聲波換能器采用一個發射/接收于一體的超聲波換能器；或者由一個為發射超聲波用的發射換能器和一個為接收超聲波用的接收換能器組成。
全文摘要
本發明公開了一種氣介式自標定超聲波液位測量方法，包括將一個發射/接收超聲波于一體的超聲波換能器置于一端平面上，或者分別用一個發射超聲波的超聲波換能器與另一個用于接收超聲波的超聲波換能器置于同一端平面，在端平面與被測液面之間固定設置可部分反射所發射超聲波的桿狀對象作為校正量具，通過設定的校正量具與端平面的已知固定精確距離來校正獲得端平面與被測液面的距離；本發明還公開了利用一種氣介式自標定超聲波液位計，包括殼體及安裝于殼體上的超聲波換能器、超聲波發射、檢測、控制單元和校正量具。本發明可實現對液位(距離)的精確測量，測量精度不受空氣質量因素的影響。
文檔編號G01F23/296GK102607670SQ20121009677
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者王麗娟, 鄭貴林 申請人:鄭貴林