CN114046857A - 一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法 - Google Patents
一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114046857A CN114046857A CN202111327745.5A CN202111327745A CN114046857A CN 114046857 A CN114046857 A CN 114046857A CN 202111327745 A CN202111327745 A CN 202111327745A CN 114046857 A CN114046857 A CN 114046857A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- piezoelectric sheet
- calibration
- waveguide tube
- liquid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 127
- 238000003672 processing method Methods 0.000 title abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims description 27
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 21
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 20
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 14
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 13
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 claims description 12
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 8
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 7
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 6
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 6
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 239000010963 304 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910000589 SAE 304 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/296—Acoustic waves
- G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/30—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by floats
- G01F23/64—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by floats of the free float type without mechanical transmission elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
本发明提出了一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法，通过设置圆球形的磁浮子，满足在各种倾斜状态下适用的超声波检测，并设置校准筒，通过校准筒中的校准压电片和校准反射块实现对不同液体和不同环境下的标准参数的测定，进而适应性实现对被测液体的精准测量。
Description
技术领域
本发明属于液位测量技术领域，具体地说，涉及一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法。
背景技术
利用超声波的发射到反射的时间差原理测量液位的液位传感器已经在测控技术领域中得到了比较广泛的应用。目前常见的技术方案有两种：
1、超声波传感器置于被测液体上方，超声波通过空气到达液面，中间无障碍物。利用超声波在空气中发射到反射的时间差测得液位。这种方案的优点是非接触测量，但在使用上的局限性是：①当空气接近0℃时，产生和接收超声波的压电片将结霜，使测量失效；②当被测液体表面有波动和液体容器倾斜时，反射波反射路径将偏离定义的测量线，导致测量结果误差大甚至失效。这种传感器一般应用于地面固定，且温度为常温的情况下。
2、超声波传感器置于测量筒内的底部，测量筒长度略大于液位最大高度，无跟踪液位面的浮子。测量筒在使用中需被垂直安装在被测液体底部，利用超声波在液体底部发射到液位面反射的时间差测得液位。该方案一般用于机动性不大的客机上测量航空煤油液位(凝固点温度低于-55℃)，精度较高。但对于一些特殊场合仍有局限性。例如机动性很强和姿态变化很大的运载工具，由于液体表面不垂直于测量线，反射波反射路径将偏离定义的测量线，导致测量结果误差大甚至失效。
3、超声波传感器置于测量筒内的底部，测量筒内有跟踪液位面的浮子。浮子的几何形状为圆柱形。浮子的导向采用钢丝，内圆柱面或外圆柱面。测量时利用圆柱形浮子的下端面反射超声波。这种结构的浮子端面法线能始终对准超声波转换圈(14)的端面，即超声波通过的测量路径不受容器姿态、加速度和液体波动的影响而保持在定义的测量线上。但精度和稳定性以及可靠性有待于改善。原因是浮子在跟踪液位时，受导向机构导向副静摩擦力的影响，特别是在大倾斜以及大加速度的情况下，跟踪过程会产生卡滞现象，导致测量结果误差大甚至失效。
发明内容
本发明针对现有的超声波测量的液位传感器的上述缺点，提出了一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法，通过设置圆球形的磁浮子，满足在各种倾斜状态下适用的超声波检测，并设置校准筒，通过校准筒中的校准压电片和校准反射块实现对不同液体和不同环境下的标准参数的测定，进而适应性实现对被测液体的精准测量。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，安装在液体容器中，与信号处理系统连接，所述超声波液位传感器包括竖直安装在液体容器中且上下端分别与液体容器内部的上下端连接的波导管；所述波导管的管壁厚度为声波在波导管传播波长的二分之一倍；在所述波导管的外壁上安装有温度传感器；
所述液体容器中装有被测液体，在所述波导管上周向设置多个使得被测液体在液体容器和波导管之间流通的导流孔；
在所述波导管的底部设置与信号处理系统连接的测量压电片，在测量压电片上设置有转换圈，在波导管内测量压电片的上方设置随着被测液体的液位面浮动的浮球；
在所述液体容器内位于波导管底端的外侧处设置有校准筒，所述校准筒上周向设置多个使得被测液体在液体容器和校准筒之间流通的导流孔；
所述校准筒内设置有与信号处理系统连接的校准压电片，以及与校准压电片配合的校准块。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括保护底座和封口盖；所述封口盖安装在波导管的顶端，并与液体容器的内部的顶端密封连接；
所述保护底座为上端开口的筒状结构，所述保护底座的底端与液体容器的内部的底端密封连接，所述波导管的底端从保护底座的上端套接固定在波导管内；
在所述保护底座内部底端设置背衬层，所述测量压电片设置在波导管的底部且位于背衬层的上方。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述背衬层为球形钨粉和环氧树脂的混合物，且在球形钨粉和环氧树脂的混合物中还均匀掺杂有钢球；所述钢球的直径大小在0.3mm-0.7mm之间。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括侧面硅橡胶圈和底部硅橡胶圈；
所述侧面硅橡胶圈设置在保护底座内位于背衬层外侧处；
所述底部硅橡胶圈设置在保护底座内位于背衬层底部处。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括匹配层，所述匹配层设置在所述波导管内位于测量压电片上部位置处；
定义测量压电片的特性阻抗为Z1，匹配层的特性阻抗为Z2，被测液体的特性阻抗为Z3，从测量压电片透射到被测液体中的声强的透射系数为T，声波在匹配层中的波长为λ2，匹配层的厚度为d1；
所述匹配层的特性阻抗满足
匹配层的厚度
其中n为正整数；所述透射系数T＝1，透射系数T的计算公式如下：
其中，ω是超声波的角频率，C2是超声波在匹配层中的声速。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括防撞金属网，所述防撞金属网安装在波导管底部并位于测量压电片和浮球之间。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述浮球采用不锈钢304材料，为中空圆球形，直径35mm，圆度误差±0.1mm，表面镜面抛光，浮球的球壁厚度0.3mm；
所述波导管为碳纤维复合材料圆管，管长1000mm，内径36mm，外径38.5mm，在波导管的底端和中端周向均布3个Φ4导流孔，在波导管的内壁喷有厚度0.01mm的聚氨酯类吸波材料；
所述校准筒的材料为碳纤维复合材料，筒长150mm，内径15mm，外径17mm，在校准筒的底端和中端周向均布2个Φ3导流孔；
所述保护底座材料采用航空铝材料；
所述测量压电片和校准压电片采用频率1MHz，直径Φ35mm，Φ15mm，压电系数大于800×10-3C/N的压电陶瓷。
一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的应用方法，基于上述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，包括以下步骤：
首先，通过信号处理系统向校准筒内的校准压电片发送激励脉冲，从而使得校准压电片激励发出超声波振动；
其次，当校准压电片发出的超声波传送到标准反射块后产生反射波，根据超声波原理求得校准压电片和标准反射块的超声波穿越时间t0，在已知校准压电片和标准反射块之间的固定距离L0的基础上，根据速度时间距离公式求得实时声速V；
接着，通过信号处理系统向波导管内的测量压电片发送激励脉冲，从而使得测量压电片激励发出超声波振动；
然后，当测量压电片发出的超声波传送到浮球的下表面后产生反射回测量压电片的反射波，最后根据速度时间距离公式求得被测液体的液面高度L。
一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的信号处理方法，用于上述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的应用方法中进行超声波的计算处理，其特征在于，包括以下步骤：
首先，采用全波检波对回波进行包络；
然后，再采用自相关算法求取相关系数P最大的位置Pmax，其中，自相关算法的相关算法窗口大小为半个包络宽度，即高斯窄脉冲的半宽；
然后，求得回波中半个包络宽度对应的曲线的斜率Ki，并设置斜率比对值，在得到相关系数P最大的位置Pmax后进行斜率Ki的判断：当斜率Ki大于设定的斜率比对值时，将位置Pmax判定为回波位置，反之则不判定为回波位置。
为了更好地实现本发明，进一步地，在液体容器中设定高液位区和低液位区，对于低液位区，存在多个相关系数接近且呈等差数列的的位置P(i)，在低液位区采用求取位置P(i)和位置P(i-1)的时间差来确定液位高度。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用球形浮子，与传统的圆柱形、钢丝浮子相比，不存在导轨之间的卡滞，减少了摩擦的同时，还能兼容适应多种倾斜角度和加速度波动；
(2)为了使活塞声源的声波以较大透射率辐射到介质中，在活塞声源处采用匹配层技术，为了减小反射波声场的强度，使声波在管壁处，尽可能的透射出管壁从而辐射到圆管外部，采用圆管透声窗原理减小部分高阶模式的声波的振幅；
(3)增加背衬层减少底面回波对激励的影响和底面杂波对测量信号的干扰；
(4)采用配套的计算方法实现球形浮子下的精准测量。
附图说明
图1为本发明传感器安装在液体容器中的结构示意图；
图2为传感器的具体结构示意图；
图3为测量压电片、匹配层和被测液体的垂直入射带介质分界面的示意图；
图4为被测液体和波导管的分界面的示意图；
图5为本发明圆管透声窗声场示意图；
图6为本发明超声波从发出到反射波回来的波导管内声场示意图；
其中：1、液体容器，2、波导管，3、保护底座，4、校准筒，5、校准压电片，6、校准反射块，7、测量压电片，8、被测液体，9、液位面，10、浮球，11、封口盖，12、背衬层，13、匹配层，14、转换圈，15、防撞金属网，16、侧面硅橡胶圈，17、底部硅橡胶圈，18、参考块，A、主波，B、参考块反射波，C、高次波。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，安装在液体容器1中，与信号处理系统连接，如图1、图2所示，所述超声波液位传感器包括竖直安装在液体容器1中且上下端分别与液体容器1内部的上下端连接的波导管2；所述波导管2的管壁厚度为声波在波导管2传播波长的二分之一倍；在所述波导管2的外壁上安装有温度传感器；
所述液体容器1中装有被测液体8，在所述波导管2上周向设置多个使得被测液体8在液体容器1和波导管2之间流通的导流孔；
在所述波导管2的底部设置与信号处理系统连接的测量压电片7，在测量压电片7上设置有转换圈14，在波导管2内测量压电片7的上方设置随着被测液体8的液位面9浮动的浮球10；
在所述液体容器1内位于波导管2底端的外侧处设置有校准筒4，所述校准筒4上周向设置多个使得被测液体8在液体容器1和校准筒4之间流通的导流孔；
所述校准筒4内设置有与信号处理系统连接的校准压电片10，以及与校准压电片10配合的校准块。
工作原理：首先，通过信号处理系统向校准筒4内的校准压电片5发送激励脉冲，从而使得校准压电片5激励发出超声波振动；
其次，当校准压电片5发出的超声波传送到标准反射块6后产生反射波，根据超声波原理求得校准压电片5和标准反射块6的超声波穿越时间t0，在已知校准压电片5和标准反射块6之间的固定距离L0的基础上，根据速度时间距离公式求得实时声速V；
接着，通过信号处理系统向波导管2内的测量压电片7发送激励脉冲，从而使得测量压电片7激励发出超声波振动；
然后，当测量压电片7发出的超声波传送到浮球10的下表面后产生反射回测量压电片7的反射波，最后根据速度时间距离公式求得被测液体8的液面高度L。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图2所示，还包括保护底座3和封口盖11；所述封口盖11安装在波导管2的顶端，并与液体容器1的内部的顶端密封连接；
所述保护底座3为上端开口的筒状结构，所述保护底座3的底端与液体容器1的内部的底端密封连接，所述波导管2的底端从保护底座3的上端套接固定在波导管2内；
在所述保护底座3内部底端设置背衬层12，所述测量压电片7设置在波导管2的底部且位于背衬层12的上方。
所述背衬层12为球形钨粉和环氧树脂的混合物，且在球形钨粉和环氧树脂的混合物中还均匀掺杂有钢球；所述钢球的直径大小在0.3mm-0.7mm之间。
工作原理：增加背衬层12可以减少底面回波对激励的影响和底面杂波对测量信号的干扰。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例2的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图2所示，还包括侧面硅橡胶圈16和底部硅橡胶圈17；
所述侧面硅橡胶圈16设置在保护底座3内位于背衬层12外侧处；
所述底部硅橡胶圈17设置在保护底座3内位于背衬层12底部处。
本实施例的其他部分与上述实施例2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图1、图2、图3、图4、图5所示，还包括匹配层13，所述匹配层13设置在所述波导管2内位于测量压电片7上部位置处；
定义测量压电片7的特性阻抗为Z1，匹配层13的特性阻抗为Z2，被测液体8的特性阻抗为Z3，从测量压电片7透射到被测液体8中的声强的透射系数为T，声波在匹配层13中的波长为λ2，匹配层13的厚度为d1；
所述匹配层13的特性阻抗满足
匹配层13的厚度
其中n为正整数；所述透射系数T＝1，透射系数T的计算公式如下：
其中，ω是超声波的角频率，C2是超声波在匹配层中的声速。
工作原理：为了使活塞声源即测量压电片7发出的的声波以较大透射率辐射到介质中，在活塞声源即测量压电片7处采用匹配层技术，为了减小反射波声场的强度，使声波在波导管2的管壁处尽可能的透射出管壁从而辐射到波导管2外部，采用圆管透声窗原理减小部分高阶模式的声波的振幅。
如图3所示，考虑垂直入射带介质分界面的情况，测量压电片7的特性阻抗是Z1，匹配层13的特性阻抗是Z2，匹配层13的厚度是d1，被测液体8的特性阻抗是Z3。由测量压电片7透射到被测液体8中的声强的透射系数是T，即：
当匹配层13的特性阻抗满足
并且厚度
时其中，λ2是匹配层13中声波的波长，n∈N)，透射系数T＝1。采用这样的匹配层技术提高测量压电片7耦合进入被测液体8的能量。
如图4所示，同样的，由被测液体8和波导管2形成的两层界面，波导管2的特性阻抗是Z4,波导管2中声波的波长是λ4，波导管2厚度是d2。当波导管2的厚度d2在
附近时，声波从被测液体8透过波导管辐射到液体介质中的透射系数接近1。此时，波导管起到透声窗的作用。随着入射角度的增大，尤其是入射角大于临界角度时发生全反射，因此，由刚性浮球散射的声波有一部分被透声窗透过，从而减小了高阶模式波的影响。
如图5所示，是对圆管透声窗声场示意图，液体介质采用水，刚性浮球采用304不锈钢浮球，波导管采用碳纤维复合材料圆管，管壁厚度是波长的二分之一倍约等于1.25mm，匹配层采用聚四氟乙烯，匹配层厚度是波长的四分之一倍约等于1mm。不仅减小了部分高阶模式的波的能量提高了信噪比，同时与传统的金属圆管传感器相比，极大地减轻了质量，使超声波液位传感器轻型化。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，还包括防撞金属网15，所述防撞金属网15安装在波导管2底部并位于测量压电片7和浮球10之间。
工作原理：通过设置防撞金属网15来防止浮球10与测量压电片7进行碰撞。
本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。
实施例6：
本实施例在上述实施例1-5任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述浮球10采用不锈钢304材料，为中空圆球形，直径35mm，圆度误差±0.1mm，表面镜面抛光，浮球10的球壁厚度0.3mm；
所述波导管2为碳纤维复合材料圆管，管长1000mm，内径36mm，外径38.5mm，在波导管2的底端和中端周向均布3个Φ4导流孔，在波导管2的内壁喷有厚度0.01mm的聚氨酯类吸波材料；
所述校准筒4的材料为碳纤维复合材料，筒长150mm，内径15mm，外径17mm，在校准筒4的底端和中端周向均布2个Φ3导流孔；
所述保护底座3材料采用航空铝材料；
所述测量压电片7和校准压电片5采用频率1MHz，直径Φ35mm，Φ15mm，压电系数大于800×10-3C/N的压电陶瓷。
本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。
实施例7：
本实施例在上述实施例1-6任一项的基础上，以330mm高度的波导管2为例，如图6所示，图6从左到右依次为从测量压电片7发射出超声波到超声波通过浮球10反射回来的声场示意状态流程图，可以看见从测量压电片7发射出超声波主波A，在波导管2中设置参考块18，超声波主波A经过参考块18反射回来的参考块反射波B，超声波主波A经过浮球10后反射回测量压电片7并带回部分高次波C。图6中右边为区分总声场压的压力表，其中的颜色对应着声场示意图中对应的声场压力值，因为附图颜色限制，波导管2背景的颜色为绿色，对应在压力表上为-1×103Pa到1×103Pa之间，超声波主波A、参考块反射波B和高次波C在不同状态下的波导管2中的颜色因转换为黑白图片后难以区分，故在图6的对应状态下的波导管2下方以数据形式进行说明，虽然在图6中没有展示出区分的颜色，但因图6为试验数据截图，其并不对本申请所记载的技术方案造成实质影响，特此说明。
本实施例的其他部分与上述实施例1-6任一项相同，故不再赘述。
实施例8：
本实施例提出了一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的应用方法，基于上述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，包括以下步骤：
首先，通过信号处理系统向校准筒4内的校准压电片5发送激励脉冲，从而使得校准压电片5激励发出超声波振动；
其次，当校准压电片5发出的超声波传送到标准反射块6后产生反射波，根据超声波原理求得校准压电片5和标准反射块6的超声波穿越时间t0，在已知校准压电片5和标准反射块6之间的固定距离L0的基础上，根据速度时间距离公式求得实时声速V；
接着，通过信号处理系统向波导管2内的测量压电片7发送激励脉冲，从而使得测量压电片7激励发出超声波振动；
然后，当测量压电片7发出的超声波传送到浮球10的下表面后产生反射回测量压电片7的反射波，最后根据速度时间距离公式求得被测液体8的液面高度L。
实施例9：
本实施例提出了一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的信号处理方法，用于上述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的应用方法中进行超声波的计算处理，其特征在于，包括以下步骤：
首先，采用全波检波对回波进行包络；
然后，再采用自相关算法求取相关系数P最大的位置Pmax，其中，自相关算法的相关算法窗口大小为半个包络宽度，即高斯窄脉冲的半宽；
然后，求得回波中半个包络宽度对应的曲线的斜率Ki，并设置斜率比对值，在得到相关系数P最大的位置Pmax后进行斜率Ki的判断：当斜率Ki大于设定的斜率比对值时，将位置Pmax判定为回波位置，反之则不判定为回波位置。
实施例10：
本实施例在上述实施例9的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，在液体容器1中设定高液位区和低液位区，对于低液位区，存在多个相关系数接近且呈等差数列的的位置P(i)，在低液位区采用求取位置P(i)和位置P(i-1)的时间差来确定液位高度。
本实施例其他部分与上述实施例9相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，安装在液体容器(1)中，与信号处理系统连接，其特征在于，所述超声波液位传感器包括竖直安装在液体容器(1)中且上下端分别与液体容器(1)内部的上下端连接的波导管(2)；所述波导管(2)的管壁厚度为声波在波导管(2)传播波长的二分之一倍；在所述波导管(2)外壁上安装有温度传感器；
所述液体容器(1)中装有被测液体(8)，在所述波导管(2)上周向设置多个使得被测液体(8)在液体容器(1)和波导管(2)之间流通的导流孔；
在所述波导管(2)的底部设置与信号处理系统连接的测量压电片(7)，在测量压电片(7)上设置有用于封装测量压电片(7)的转换圈(14)，在波导管(2)内测量压电片(7)的上方设置随着被测液体(8)的液位面(9)浮动的浮球(10)；
在所述液体容器(1)内位于波导管(2)底端的外侧处设置有校准筒(4)，所述校准筒(4)上周向设置多个使得被测液体(8)在液体容器(1)和校准筒(4)之间流通的导流孔；
所述校准筒(4)内设置有与信号处理系统连接的校准压电片(10)，以及与校准压电片(10)配合的校准块。
2.如权利要求1所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，还包括保护底座(3)和封口盖(11)；所述封口盖(11)安装在波导管(2)的顶端，并与液体容器(1)的内部的顶端密封连接；
所述保护底座(3)为上端开口的筒状结构，所述保护底座(3)的底端与液体容器(1)的内部的底端密封连接，所述波导管(2)的底端从保护底座(3)的上端套接固定在波导管(2)内；
在所述保护底座(3)内部底端设置背衬层(12)，所述测量压电片(7)设置在波导管(2)的底部且位于背衬层(12)的上方。
3.如权利要求2所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，所述背衬层(12)为球形钨粉和环氧树脂的混合物，且在球形钨粉和环氧树脂的混合物中还均匀掺杂有钢球；所述钢球的直径大小在0.3mm-0.7mm之间。
4.如权利要求3所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，还包括侧面硅橡胶圈(16)和底部硅橡胶圈(17)；
所述侧面硅橡胶圈(16)设置在保护底座(3)内位于背衬层(12)外侧处；
所述底部硅橡胶圈(17)设置在保护底座(3)内位于背衬层(12)底部处。
5.如权利要求1所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，还包括匹配层(13)，所述匹配层(13)设置在所述波导管(2)内位于测量压电片(7)上部位置处；
定义测量压电片(7)的特性阻抗为Z1，匹配层(13)的特性阻抗为Z2，被测液体(8)的特性阻抗为Z3，从测量压电片(7)透射到被测液体(8)中的声强的透射系数为T，声波在匹配层(13)中的波长为λ2，匹配层(13)的厚度为d1；
所述匹配层(13)的特性阻抗满足
匹配层(13)的厚度
其中n为正整数；所述透射系数T＝1，透射系数T的计算公式如下：
其中，ω是超声波的角频率，C2是超声波在匹配层中的声速。
6.如权利要求1所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，还包括防撞金属网(15)，所述防撞金属网(15)安装在波导管(2)底部并位于测量压电片(7)和浮球(10)之间。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，所述浮球(10)采用不锈钢304材料，为中空圆球形，直径35mm，圆度误差±0.1mm，表面镜面抛光，浮球(10)的球壁厚度0.3mm；
所述波导管(2)为碳纤维复合材料圆管，管长1000mm，内径36mm，外径38.5mm，在波导管(2)的底端和中端周向均布3个Φ4导流孔，在波导管(2)的内壁喷有厚度0.01mm的聚氨酯类吸波材料；
所述校准筒(4)的材料为碳纤维复合材料，筒长150mm，内径15mm，外径17mm，在校准筒(4)的底端和中端周向均布2个Φ3导流孔；
所述保护底座(3)材料采用航空铝材料；
所述测量压电片(7)和校准压电片(5)采用频率1MHz，直径Φ35mm，Φ15mm，压电系数大于800×10-3C/N的压电陶瓷。
8.一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的应用方法，基于权利要求1所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器，其特征在于，包括以下步骤：
首先，通过信号处理系统向校准筒(4)内的校准压电片(5)发送激励脉冲，从而使得校准压电片(5)激励发出超声波振动；
其次，当校准压电片(5)发出的超声波传送到标准反射块(6)后产生反射波，根据超声波原理求得校准压电片(5)和标准反射块(6)的超声波穿越时间t0，在已知校准压电片(5)和标准反射块(6)之间的固定距离L0的基础上，根据速度时间距离公式求得实时声速V；接着，通过信号处理系统向波导管(2)内的测量压电片(7)发送激励脉冲，从而使得测量压电片(7)激励发出超声波振动；
然后，当测量压电片(7)发出的超声波传送到浮球(10)的下表面后产生反射回测量压电片(7)的反射波，最后根据速度时间距离公式求得被测液体(8)的液面高度L。
9.一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的信号处理方法，用于权利要求8所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的应用方法中进行超声波的计算处理，其特征在于，包括以下步骤：
首先，采用全波检波对回波进行包络；
然后，再采用自相关算法求取相关系数P最大的位置Pmax，其中，自相关算法的相关算法窗口大小为半个包络宽度，即高斯窄脉冲的半宽；
然后，求得回波中半个包络宽度对应的曲线的斜率Ki，并设置斜率比对值，在得到相关系数P最大的位置Pmax后进行斜率Ki的判断：当斜率Ki大于设定的斜率比对值时，将位置Pmax判定为回波位置，反之则不判定为回波位置。
10.如权利要求9所述的一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器的信号处理方法，其特征在于，在液体容器(1)中设定高液位区和低液位区，对于低液位区，存在多个相关系数接近且呈等差数列的的位置P(i)，在低液位区采用求取位置P(i)和位置P(i-1)的时间差来确定液位高度；所述位置P(i)和位置P(i-1)是相邻的位置点。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111327745.5A CN114046857B (zh) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111327745.5A CN114046857B (zh) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114046857A true CN114046857A (zh) | 2022-02-15 |
| CN114046857B CN114046857B (zh) | 2024-08-13 |
Family
ID=80208133
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111327745.5A Active CN114046857B (zh) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114046857B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115371769A (zh) * | 2022-10-25 | 2022-11-22 | 西安华舜测量设备有限责任公司 | 一种外置式智能超声波液位开关及其报警方法 |
| CN115406509A (zh) * | 2022-11-03 | 2022-11-29 | 哈尔滨东水智慧农业科技开发有限公司 | 一种液位测量装置 |
| CN118129848A (zh) * | 2024-05-08 | 2024-06-04 | 青岛鼎信通讯科技有限公司 | 一种适用于超声水表的激励信号调整方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2338162C1 (ru) * | 2007-04-28 | 2008-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Ультразвуковой уровнемер с температурной коррекцией |
| CN101634580A (zh) * | 2009-08-28 | 2010-01-27 | 四川大学 | 一种抗倾斜和波动的超声波液位测量传感器 |
| JP2010071813A (ja) * | 2008-09-18 | 2010-04-02 | Ricoh Elemex Corp | 超音波液面計 |
| CN103913208A (zh) * | 2014-04-25 | 2014-07-09 | 西安华舜测量设备有限责任公司 | 具有声速自校准功能的外置式超声波液位计及其测量方法 |
| CN206787670U (zh) * | 2017-05-15 | 2017-12-22 | 南京南瑞集团公司 | 用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计 |
| CN207036218U (zh) * | 2017-03-20 | 2018-02-23 | 四川帝威能源技术有限公司 | 超声波液位计 |
| CN109540263A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-03-29 | 四川大学 | 一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置 |
| CN209945506U (zh) * | 2019-06-06 | 2020-01-14 | 上海思寒环保科技有限公司 | 一种抗电磁干扰的超声波液位测量装置 |
-
2021
- 2021-11-10 CN CN202111327745.5A patent/CN114046857B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2338162C1 (ru) * | 2007-04-28 | 2008-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Ультразвуковой уровнемер с температурной коррекцией |
| JP2010071813A (ja) * | 2008-09-18 | 2010-04-02 | Ricoh Elemex Corp | 超音波液面計 |
| CN101634580A (zh) * | 2009-08-28 | 2010-01-27 | 四川大学 | 一种抗倾斜和波动的超声波液位测量传感器 |
| CN103913208A (zh) * | 2014-04-25 | 2014-07-09 | 西安华舜测量设备有限责任公司 | 具有声速自校准功能的外置式超声波液位计及其测量方法 |
| CN207036218U (zh) * | 2017-03-20 | 2018-02-23 | 四川帝威能源技术有限公司 | 超声波液位计 |
| CN206787670U (zh) * | 2017-05-15 | 2017-12-22 | 南京南瑞集团公司 | 用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计 |
| CN109540263A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-03-29 | 四川大学 | 一种轻型抗电磁干扰的机载超声波液位测量装置 |
| CN209945506U (zh) * | 2019-06-06 | 2020-01-14 | 上海思寒环保科技有限公司 | 一种抗电磁干扰的超声波液位测量装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 上官明禹: "超声波液位计的原理与应用", 《机电信息》, 31 December 2010 (2010-12-31), pages 12 - 14 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115371769A (zh) * | 2022-10-25 | 2022-11-22 | 西安华舜测量设备有限责任公司 | 一种外置式智能超声波液位开关及其报警方法 |
| CN115406509A (zh) * | 2022-11-03 | 2022-11-29 | 哈尔滨东水智慧农业科技开发有限公司 | 一种液位测量装置 |
| CN118129848A (zh) * | 2024-05-08 | 2024-06-04 | 青岛鼎信通讯科技有限公司 | 一种适用于超声水表的激励信号调整方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114046857B (zh) | 2024-08-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114046857A (zh) | 一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器及应用、处理方法 | |
| CN106338320B (zh) | 用于液体的非侵入性连续液位测量的系统和方法 | |
| CA1123946A (en) | Ultrasonic transducer with reference reflector | |
| CN106338332B (zh) | 用于测量液体或气态介质中的声音速度的系统和方法 | |
| US9983037B2 (en) | Fluid sensor with a fluid conduit region of composite material including polymer matrix material and reinforcing elements | |
| CN105556258B (zh) | 包括超声传感器的液体箱 | |
| CN101636666A (zh) | 流体深度测量方法和用于该方法的系统 | |
| CN101578652B (zh) | 超声波接收器 | |
| CN102713529A (zh) | 超声传感器、流量计和方法 | |
| CN108007552A (zh) | 一种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法 | |
| US20050241391A1 (en) | Targeted guided wire level measuring device | |
| WO2023274475A1 (en) | Ultrasonic flow sensor and thermal energy sensor with non-invasive correction for change in fluid composition and improved accuracy | |
| US20020124661A1 (en) | Apparatus for measuring flows | |
| CN114046858B (zh) | 一种抗倾斜和波动的超声波液位传感器系统及其运行方法 | |
| US20040129088A1 (en) | Single-body dual-chip orthogonal sensing transit-time flow device using a parabolic reflecting surface | |
| KR20240027089A (ko) | 튜브 내 액체의 부피 흐름을 측정하기 위한 초음파 측정 셀 및 방법 | |
| JPS6315104A (ja) | 内孔マッピング装置及び方法 | |
| CN116718243A (zh) | 一种用于水流量计量的超声测量装置 | |
| JP2003139591A (ja) | 超音波流量計 | |
| JP2006030142A (ja) | 超音波流量計 | |
| WO2023130682A1 (zh) | 一种基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统 | |
| JP2005077146A (ja) | 超音波流量計 | |
| US20240369693A1 (en) | Position detection in hostile environment using reflected radiated energy | |
| KR20260004821A (ko) | 매질 특성 검사장치 | |
| JP2006138667A (ja) | 超音波流量計および流体漏洩検知装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |