本发明涉及超声波非接触液体液位检测领域，特别是一种基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统及方法。
背景技术：
液体液位的精准测量是实现生产过程准确检测的重要保障和生产过程实时控制的重要手段。在传统工业控制领域，由于生产规模不大，储罐液位测量主要采用法兰式液位变送器和吹气式等机械式测量方法以及微波式、激光式等液位计。但是随着生产规模的扩大，所需储罐数量变多，则显现出传统测量方法的弊端：法兰式液位变送器需要保温，且其施工及维护工作量较大；吹气式用的吹气管需要特殊订货，要定期更换，并且吹气式要消耗仪表气，有能耗并需要敷设气源管，因而安装及维护工作量较大；而微波、激光式液位仪不能实现真正意义上的非接触。γ射线液位计可以实现罐外测量液位，但是受环境影响大。红外液位计也可以实现“罐外测量液位”的要求，但要求被测介质与环境有较明显的温度差异。
相比之下，超声波液位测量有诸多优点：它能够实现定点和连续检测液位，具有广泛的适用性，并且该技术相对安全且价格较低，可选用多介质作为传声媒介，因而在超声波外测液位仪设计无需对被测容器开孔，从而能够实现真正的非接触测量。超声波连续测量液位的方法有很多种，如共振法、频差法、超声衰减法等，其中共振法检测液位受到一些具体条件的限制，需要与液面建立驻波关系，并且它属于一种接触式测量方法；频差法需要调频器产生调制频率；衰减法需测量超声波的衰减量。现有技术中尚未有应用超声脉冲回波法进行液体液位检测的相关记载。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统及方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，包括：
超声波发射电路，用于发射设定频率的超声波；
超声波接收电路，用于接收超声波在容器内壁和被测液体分界面产生的第一回波，以及超声波在被测液体和上方气体分界面产生的第二回波；
温度测量电路，用于实时测定被测液体温度；
补偿电路，用于根据被测液体温度对超声波在被测液体中的传播速度进行校正；
单片机控制系统，用于驱动超声波发射电路发射超声波，并计算两回波之间的时间差，根据测出的时间差和校正后的传播速度计算被测液体的液位。
一种基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1、超声波发射电路通过超声波探头发射超声波；
步骤2、利用超声波接收电路接收超声波在容器内壁和被测液体分界面产生的第一回波，以及超声波在被测液体和上方气体分界面产生的第二回波；
步骤3、测量当前被测液体温度以及第一回波和第二回波之间的时间差；
步骤4、计算超声波在被测液体中的传播速度，并根据实时测得的被测液体温度对传播速度进行校正；
步骤5、根据测得是时间差和校正后的传播速度确定被测液体的液位。
本发明与现有技术相比，其显著效果为：(1)本发明可以在不需要防护的条件下实现非接触定点和连续检测封闭式液体液位；(2)本发明的检测系统和检测方法可以选用气体、液体或固体作为传播介质，具有较大的适用性；(3)本发明在测量液体液位时可以根据测量环境温度的变化，实时进行补偿，具有较高的检测准确性；(4)本发明采用“延时接收的信号分离”技术，有效的抑制了噪声的干扰；(5)本发明在实际应用中的安装与维护方面有很大的应用性，更加有效且经济。
附图说明
图1是本发明在应用中的测量原理图。
图2是本发明基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统总体设计框图。
图3是超声波发射电路原理框图。
图4是超声波接收电路结构框图。
图5是基于超声波脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统工作流程图。
具体实施方式
结合图1、图2，本发明的一种基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，包括：
超声波发射电路，用于发射设定频率的超声波；
超声波接收电路，用于接收超声波在容器内壁和被测液体分界面产生的第一回波，以及超声波在被测液体和上方气体分界面产生的第二回波；
温度测量电路，用于实时测定被测液体温度；
补偿电路，用于根据被测液体温度对超声波在被测液体中的传播速度进行校正；
单片机控制系统，用于驱动超声波发射电路发射超声波，并计算两回波之间的时间差，根据测出的时间差和校正后的传播速度计算被测液体的液位。
进一步的，如图3所示，所述超声波发射电路包括顺次连接的主控振荡器、整形电路、可控硅、匹配调谐器和发射换能器；主控振荡器用于产生单脉冲信号，整形电路对单脉冲信号滤波整形，整形后的单脉冲信号控制可控硅的导通和关闭，匹配调谐器用于控制发射超声波脉冲的震荡时间，发射换能器用于发射超声波。
所述超声波发射电路发射的超声波为2.5MHZ频率的超声纵波。
进一步的，如图4所示，所述超声波接收电路包括接收换能器、前置放大电路、电压比较电路、开关电路、高频放大电路、抑制电路和扫描电路；
接收换能器将接收到的回波信号分别通过前置放大电路和电压比较电路，电压比较电路对回波信号整形、滤除噪声，同时通过开关电路控制前置放大电路的开启/关闭，前置放大电路对回波信号进行阻抗匹配和功率放大处理，经高频放大电路放大处理，再经过抑制电路，抑制电路通过设定的比较门限判定是否接收到回波信号；扫描电路用于对控制抑制电路是否接收回波信号。
上述发射换能器和接收换能器共用一个超声波探头，所述超声波探头为压电陶瓷单晶超声纵波直探头。
进一步的，温度测量电路包括温度变送电路和温度采集电路，温度变速电路用于将液体温度转换为对应的电压值，温度采集电路用于将电压值转换为摄氏温度值。
进一步的，液体液位检测系统还包括显示单元，用于显示被测液体的液位。
进一步的，检测系统还包括通信模块，用于与外部实时通信。
本发明还提供一种基于上述超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1、超声波发射电路通过超声波探头发射超声波；
步骤2、利用超声波接收电路接收超声波在容器内壁和被测液体分界面产生的第一回波，以及超声波在被测液体和上方气体分界面产生的第二回波；
步骤3、测量当前被测液体温度以及第一回波和第二回波之间的时间差；
步骤4、计算超声波在被测液体中的传播速度，并根据实时测得的被测液体温度对传播速度进行校正；
步骤5、根据测得是时间差和校正后的传播速度确定被测液体的液位。
其中，超声波频率的确定方法为：
面积为S的发射换能器晶体，在以频率f发射波长为λ的声波时，其指向性的增益为：
而超声波的吸收值为：
α＝c1f+c2f
其中，c1为超声波散射衰减系数；c2为超声波吸收衰减系数；
设发射换能器Tm发出功率为PT，接收换能器Rm接收到功率为PR，两换能器间的有效距离为d，则声纳传递信息能量的方程有：
将c1′＝c1v，c2′＝c2v2代入上式得：
灵敏度最大的条件是当波长满足上列导数为0时，(-λ2+c1′dλ+2dc′2)应等于零，于是得最佳波长：
因此，吸收值为α时，最佳波长λ0由上式求得，则最佳频率可由下式求得：
式中，α1＝c1f，α2＝c2f2，取奈培/米·秒/千赫，奈培/米·秒2/千赫2。
由上可知，超声波的最佳频率是与发射换能器与接收换能器之间的有效距离d有关。
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例首先对超声波探头、超声波传播形式和超声波换能器最佳频率进行选择和确定。
超声波探头和超声波传播形式的选择：考虑到工程实用性，超声波发射探头的选择应用于特殊环境的需要，采用单探头自发自收的工作方式。超声波在介质中的传播形式分为纵波、横波和表面波，本实施例的超声波传播形式选择纵波，即超声纵波直探头。
超声波换能器最佳频率的计算：根据声波的特性，频率越低的声波指向性越差，但传递的越远；高频率指向性好，但容易衰减，因此通过计算合理选定超声波换能器频率。依据实验对象的具体要求，容器壁厚最小为9mm，室温下超声波在钢中的传播速度约为5.85×103m/s，则接收第一回波的时间约为3μs，结合程序指令的运行时间，发射第一个超声脉冲的最短时间应小于0.5μs，结合上述的超声换能器频率方法分析，发射超声波脉冲频率应大于2MHz时才能消除盲区并接收第一回波，本实施例选用频率为2.5MHZ、晶片直径为20mm的压电陶瓷单晶超声纵波直探头。
超声波发射电路原理框图如图3所示。超声波发射电路包括顺次连接的主控振荡器、整形电路、可控硅、匹配调谐器和发射换能器；主控振荡器用于产生单脉冲信号，整形电路对单脉冲信号滤波整形，整形后的单脉冲信号控制可控硅的导通和关闭，匹配调谐器用于控制发射超声波脉冲的震荡时间，发射换能器用于发射超声波。
超声波接收电路原理框图如图4所示。超声波接收换能器将接收到的回波信号分别通过前置放大电路和电压比较电路，电压比较电路由集成基本RS触发器和4位多级比较器组成，一方面对回波信号整形，滤除噪声；另一方面自动控制开关电路，从而控制前置放大电路的开启/关闭。前置放大电路主要起阻抗匹配和放大输入信号功率的作用。高频放大电路选用NPN型三极管2N3904，在2N3904后加入缓冲级，目的是减少前后级电路的互相影响和便于电平的匹配。后级放大电路的射级有一个可调电阻器，改变电阻值的大小实现整个高频放大电路的AGC控制。通过高频放大电路的信号再进入抑制电路，抑制电路中选用一个可调电阻器来设定一个比较门限。当接收到的脉冲信号高于所设定的门限时，则认为已接收到了回波信号；否则，后续电路不导通，不作为回波信号处理。比较门限可根据实际情况手动调节，以达到最佳接收。扫描电路与抑制电路匹配工作，由单片机系统的P1.0引脚产生扫描闸门电平，该电平用来控制是否允许接收回波信号。当扫描闸门为高电平时，允许接收回波，再由比较门限决定是否作为回波信号。扫描电路和抑制电路可以有效地抑制噪声和提高接收电路的信噪比。最后的回波信号再通过外围扩展电路整形、电平转换，作为单片机系统的中断信号，完成超声波回波的接收。
超声波在被测液体中的传播速度主要受温度影响，因此对传播速度进行校正，以提高测量的精度。温度测量电路包括温度变送电路和温度采集电路，温度变速电路将0～60℃的液体温度转换为0～5V的电压值，同时进行温度标定。
单片机控制系统选用AT89C52单片机，其主要任务为：(1)驱动发射换能器发出超声波；(2)控制接收电路接收回波，通过定时计算器计算两回波之间的时间差；(3)根据测出的时间和有关参数计算被测液体的液位；(4)控制数据的显示；(5)与上位机通信。
为了抑制噪声，控制接收电路接收回波，准确测量两个回波之间的时间差，单片机控制系统采用延时接收的信号分离技术，该技术表现在通过不同分别引脚输出的扫描门闸和抑制脉冲，扫描门闸的开启调节到能检测到第一回波。抑制脉冲的作用是：在抑制脉冲的宽度内，即使有回波到来，触发器也不会翻转，必须等抑制脉冲过去后才能翻转。这样，就可把发射脉冲附近的杂波抑制掉。抑制脉冲的宽度，应调节到能测出量程确定的最小距离。
单片机控制系统与上位机的通信采用RS-485通信方式，这种通信方式采用平衡发送和差分接收方式来实现通信从而可以有效的防止噪声干扰。
如图1所示，将频率为2.5MHZ、晶片直径为20mm的压电陶瓷单晶超声纵波直探头安装于封闭容器外壁的正下方，通过超声波发射电路，给发射换能器施加一个时间极短的电压脉冲，换能器可以将电脉冲转变为超音频的机械振动，以超声波的形式穿过容器底部进入液体。超声波传播过程中将在容器内壁和被测液体的分界面产生第一回波；传播到液体上表面处被反射后，在被测液体和上方气体的分界面产生第二回波，向下返回给接收换能器，接收换能器将机械振动转换为电振荡。与此同时通过计时电路测定超声波在液体中来回走过的时间t，即固/液分界面和液/气分界面两回波的回波时间差，以及超声波在被测液体中的传播速度，则被测液体的液位为：
h＝(v·t)/2
其中，h——被测液体的液位；
v——超声波在被测液体中的传播速度；
t——两个回波之间的时间差。
在此种检测方法中，测量精度主要受速度v的影响，所以需要对超声波的传播速度进行校正。因为液体没有剪切弹性，所以液体中只能传播纵波，在线性声学条件下，液体中速度公式为：
式中：ks为液体的绝热压缩系数；对于水，20℃时，ρ0＝998kg/m3，ks＝45.8*10-11m2/N，由上式算得c＝1480m/s。
本方法适用的被检测液体的温度范围0-60℃，采用补偿电路的方法实现速度校正。针对本方法液位测量问题，对传播介质经过大量测试后，得到超声波传播速度随温度的变化规律，利用敏感元件的输出信号对速度进行自动校正。
如图5所示，本发明的非接触式液体液位检测系统的工作流程为：首先将单片机控制系统初始化；然后测量温度值，再确定该温度下超声波在液体中的传播速度；接着发射超声波，测量回波时间；最后根据测量结果计算出被测液体的液位并显示和通信。
综上所述，本发明可以在不需要防护的条件下实现非接触定点和连续检测封闭式液体液位，根据测量环境温度的变化实时进行补偿，检测结果更准确。