专利名称：自带气体声速实时校准的超声波液位计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量液位的方法及其测量装置，具体说，是利用多束超声波测量
液位的方法及其测量装置。
背景技术：
目前，超声波液位计在工业控制中用途广泛，相比与其它测量方法具有安全无辐 射，安装方便，使用寿命长等特点。常用的超声波液位测量技术有传感器放置于液体中和放 置于液面上气体介质中两种方式。 超声波传感器置于液体中的方式容易达到较高的精度，但测量装置会受到液体残 渣油污沉积，受腐蚀性影响，而且检修不方便。超声波传感器放置于液面上气体介质中的方 式使用方便，维护成本较低，但测量结果的准确性需要依赖于气体声速的准确性。空气接近 于理想气体其声速主要受温度影响，可由公式
C = 331. 3+(0. 606T)m/s 计算得到，其中T为气体温度。当介质接近于理想气体(如空气)并且气体温度精
确已知时，有可能达到比较高的精度，但工业控制过程中被测量的实际系统往往比较复杂，
气体温度往往是一个变化的参数，液位测量很难达到高精度。对于在非理想气体环境中，计
算时还要引入压力数据，使得测量装置更为复杂，精度更难以达到要求。 目前常用的超声波液位计大多使用单个超声波探头，需要进行定期校准或现场校
准，实际使用成本较高。另外由于使用单个超声波探头无法使用相关性算法等先进的数字
信号处理技术，在信噪比较差的应用中例如测量多相液位，强衰减性气体介质等应用中，会
造成液位测量不稳定。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述超声波液位计技术存在的不足，提供了一种不受气 体介质声速变化影响的超声波液位测量方法，以及一种高精度高可靠性的测量装置，在测 量液位的同时还可以测量气体介质的温度。 本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是一种液位测量方法，包括以下测 量步骤 a、设置两个或多个位于液面上方的超声波传感器；
b、各超声波传感器之间有固定的已知高度差； C、分别测量出每个传感器发出的声波经液面反射在气体中的往返飞行时间；
d、计算出各束声波的飞行时间差； e、用高度差比时间差计算出气体介质的声速； f 、将声速与超声波的飞行时间相乘，得出液位高度。 所述超声波传感器发出的超声波在空气介质中传播。 在测量液位的同时可以间接测量气体介质的温度。
实现本发明一种液位测量装置，包括测量探头和电子装置，所述测量探头由两个
或多个超声波传感器组成，各个传感器间具有固定的已知高度差。 所述电子装置中运行程序对超声波信号进行控制和检测。 所述超声波传感器的工作频率在25KHZ到2MHZ之间，各个超声波传感器的工作频 率可以相同，也可以且互不相同。 本发明在获得液位结果的同时还可以得到和显示气体介质的声速和温度参数。
与现有技术上比，具有以下技术优点 1、可以实时检测的气体声速，根本上解决超声波液位计精度稳定性问题。 2、测量时间差的精度远超过直接测量飞行时间的精度，从而可以非常精确地计算
出气体声速。 3、由于可以计算得到实时的气体声速，无须现场校准就可以直接在各种气体介质 中测量液位，包括非理想气体环境中使用，大大简化了现场安装和仪表维护的难度。
4、高可靠性，在一个传感器失效的情况下仍可继续工作，直到维修或更换系统。
5、强适应性，可以使用多道信息进行数字信号处理压制噪音，使之可以应用于弱 信号，强衰减的环境。 6、由气体声速可以反算出温度，得到一个附加的过程控制参数。对于理想气体计
算出温度的精度可远高于直接测量的精度。 7、与接入温度输入方法比可以降低成本， 8、气体声速本身可以作为监控气体性质的一个参数。
图1为本发明测量方法和装置使用两个超声波传感器，每个传感器都发射并接收 信号的一种实施方式的示意图。 图2为本发明测量方法和装置使用一个超声波发射传感器和两个接收传感器的 一种实施方式的示意图。 图3为本发明测量方法的系统控制，信号处理以及参数计算的一种实施方式的流 程图。
具体实施例方式
下面结合附图，以较佳实施例对本发明进行详细说明。 本发明采用至少两个超声波传感器，每个超声波传感器有固定的高度差，根据传 感器间的飞行时间差计算出气体介质的声速和液位的高度。图1和图2显示了两种可能的 超声波探头实施方法，图3显示了系统控制，信号处理和参数计算的流程。未显示的还可能 有多种具体实施方式
都符合本专利多传感器，具高度差，实时计算声速的本质。
本发明的测量装置包括四个部分液位测量探头、电子装置、测控嵌入式软件和坚 固装置。液位测量探头由两个或多个超声波传感器组成。各个传感器间有固定的已知高度 差。电子装置由超声波发射电路，信号接收和模数转换电路，以及微处理器等主要部分组 成。测控嵌入式软件，在微处理器上运行对数字信号进行处理并计算出液位和气体介质温 度等结果。紧固装置，使液位测量探头能够准确稳固地安装于液面上方。测量探头与电子装置可以安装为一体，也可以分体安装通过电缆连接。 另外，超声波传感器的工作频率可以根据应用需要在很大范围内设计选择，例如 从25KHz到2MHz。每个超声波传感器的工作频率可以互不相同，以减少声道间信号相互干 扰。 采用本发明的液位测量方法，具体操作如下(参考图3): a、将液位测量探头安装于液面上方并连接好电子装置； b、将每个超声波传感器之间的高度差的固定值输入测量电子装置； c、电子装置控制超声波的发射和信号接收；； d如果信号信躁比不理想，可以使用多道信号进行相关性处理减少噪音信号； e、嵌入式软件分别测量出每个传感器接收的超声波在气体中的飞行时间； f、计算出每两束声波的飞行时间差； g、用高度差比时间差计算出气体的声速； h 、将声速与超声波的飞行时间相乘得出液位高度。 如果已知气体声速与温度之间的关系，本发明可根据测得的声速计算出气体介质 的温度。例如对于理想气体可以使用公式
T = (C-331. 3)/0. 606 其中C为已经通过飞行时间差方法测出的气体的声速。
实施例1 如图1所示，使用两个超声波传感器，它们之间错开一个固定的高度差D，假设气
体声速C和液位高度H为未知量，测量得到传感器1的声波在气体中的飞行时间Tl和传感
器2的声波在气体中的飞行时间T2，根据飞行时间飞行距离和声速之间的关系可以得到以
下方程组 Tl = 2*H/C T2 = (2*H+2*D) /C 两束声波的时间差 DT = T2-T1 = 2*D/C 这样可以得到声速和液位高度 C = 2*D/DT H = OT1/2 如果两个超声波传感器同时发射信号，则DT可以通过对两个接收信号进行相关 性处理直接得到，这种方法比使用Tl和T2的差值的方法准确性高很多，受噪音信号影响 小。 声速测量的精度
由时差测量误差造成的声速误差
dC/dDT =-2*D/DT2 =-C2/(2*D)
I dC I = C2/ (2*D) *dDT 采用相关性或其它信号处理技术，一般飞行时间差的检测精度可以达到50纳秒 以下，以高度差设计D为0. 1米计算，在声速C为340M/S附近，声速测量的误差为
I dC I = 3402/ (2*0. 1) *10*10—9 = 0 . 0 2 89M/S
5
百分比误差为 0. 0289/340*100 = 0. 0085% 这样的精度已远远超过液位测量的需要。如果是理想气体，由声速反算的温度值
也会远远超过普通温度测量的精度(0. 5度)。 与以上方法相似，可以使用两个以上的传感器达到目的。 实施例2 如图2所示，使用三个超声波传感器，其中一个超声波发射传感器和两个接收传
感器。从传感器1到3每一个错开一个固定的高度差D，假设气体声速C和液位高度H为未
知量，测量得到从传感器3到传感器1的声波飞行时间Tl和从传感器3到传感器2的声波
飞行时间T2，根据飞行时间飞行距离和声速之间的关系可以得到以下方程组 Tl = (2*H_2*D)/C T2 = (2*H+2*D) /C 两束声波的时间差 DT = T2-T1 = 4*D/C 这样可以得到声速和液位高度 C = 4*D/DT H = C*(Tl+T2)/2 使用一个固定超声波发射传感器的方法两个接收信号的来源是完全相同的，这样
可以直接进行相关性处理直接得到，这种方法比使用T1和T2的差值的方法准确性高很多，
受噪音信号影响小。使用这种方法的另一个好处是不必切换超声波发射传感器的发射接收
状态，简化电路设计。 声速测量的精度 由时差测量误差造成的声速误差 dC/dDT =-4*D/DT2 =-C2/4*D I dC I = C2/ (4*D) *dDT 可见声速误差是实施方法1中的一半。 计算气体温度的方法和精度与实施方法1中所述的相同。
权利要求
一种液位测量方法，其特征在于，包括以下测量步骤a、设置两个或多个位于液面上方的超声波传感器；b、各超声波传感器之间有固定的已知高度差；c、分别测量出每个传感器发出的声波经液面反射在气体中的往返飞行时间；d、计算出各束声波的飞行时间差；e、用高度差比时间差计算出气体介质的声速；f、将声速与超声波的飞行时间相乘，得出液位高度。
2. 根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征在于，所述超声波传感器发出的超声波在空气介质中传播。
3. 根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征在于，在测量液位的同时可以间接测量气体介质的温度。
4. 一种液位测量装置，其特征在于包括测量探头和电子装置，所述测量探头由两个或多个超声波传感器组成，各个传感器间具有固定的已知高度差。
5. 根据权利要求4所述的液位测量装置，其特征在于，电子装置中运行程序对超声波信号进行控制和检测。
6. 根据权利要求4所述的液位测量装置，其特征在于，所述超声波传感器的工作频率在25KHZ到2腿Z之间，各个超声波传感器的工作频率可以相同，也可以且互不相同。
7. 根据权利要求4所述的液位测量装置，其特征在于，在获得液位结果的同时还可以得到和显示气体介质的声速和温度参数。
全文摘要
一种液位测量方法，使用多个位于液面上方的超声波传感器，各超声波传感器之间有固定的已知高度差，分别测量出每个传感器发出的声波经液面反射在气体中的往返飞行时间，再计算出各束声波的飞行时间差，用高度差比时间差计算出气体介质的声速，最后由声速与超声波的飞行时间相乘，得出所要测量的液位高度。该液位测量方法由专用的测量装置来实现，其包括测量探头和电子装置，测量探头由两个或多个超声波传感器组成。本发明能够实时精确测量出液位高度，不受气体介质的影响，精度稳定性高，测量装置现场校准和维护简便。
文档编号G01H5/00GK101769777SQ20081022053
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者刘风华 申请人:广州昉时工业自动控制系统有限公司