基于超声波混响检测的外贴式液位报警系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于超声波混响检测的外贴式液位报警系统及方法，其过程为：设定警戒判决值A

说明书

技术领域

本发明属于罐体液位测量、报警技术领域，具体涉及一种基于超声波混响检测的外贴式液位报警系统及方法。

背景技术

液位开关是用于判断罐体液位是否到达预设高度的仪器，具体采用的是外贴式超声波探头进行测量，其原理是将一对超声波探头安装在所检测高度的同一水平面，其中一个探头发射超声波信号，另一个接收安装点对面罐壁产生的回波。当液位低于和高于该水平面时，超声波信号分别在空气中和液体中传播，回波强度和回波时延不同。通过检测这个不同，可以判断液位是否达到报警条件。这种判断方式的缺点在于接收探头需要收到回波信号才能进行判断，而回波信号不是连续信号，是间隔性信号，这就导致接收探头不一定每时刻都能接收到信号，这极大增加了某些情况下的调试难度，同时也降低了液位报警性能。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种调试难度低、报警性能好的基于超声波混响检测的外贴式液位报警系统及方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于超声波混响检测的液位报警系统，包括

发射装置，安装于罐体外壁的警戒位置，用于根据控制系统设置的发射频率发射超声波脉冲信号；

接收装置，安装于罐体外壁上，高度与发射装置高度相同，用于接收一定时间内的连续混响信号并输出至控制系统；

控制系统，用于设置发射频率、设定警戒判决值、对接收的混响信号进行处理得到混响信号的混响强度、根据混响强度与警戒判决值的比较结果判断罐体液位是否达到警戒位置。

进一步地，所述控制系统包括

控制模块，用于设置发射频率、设定警戒判决值、判断罐体液位是否达到警戒位置；

信号接收模块，用于接收接收装置输出的连续的混响信号；

信号处理模块，用于对混响信号进行放大、对放大的信号进行包络检波；

信号采样模块，用于对包络检波后的信号进行采样，对所有的采样值进行累加得到累加值后求取平均值，将平均值作为混响信号的混响强度输出至控制模块；

警报模块，用于在罐体液位达到警戒位置后发出报警信号。

进一步地，所述发射装置和接收装置为一体设备。

进一步地，所述警戒判决值A₀的范围为A₀≥A₁－(A₁－A₂)/2，A₁为第一标定值，A₂为第二标定值。

进一步地，所述第一标定值和第二标定值的确定方法为：调节罐体液位高度至第一位置，保持液位高度不变，调节控制系统发射频率，使控制系统得到的混响信号的混响强度达到最大值，此最大混响强度为第一标定值A₁，此时发射频率为f₀；调节罐体液位高度至第二位置，调节控制系统的发射频率为f₀，控制系统接收的混响信号，记录此混响信号的混响强度为第二标定值A₂，所述第一位置和第二位置关于发射装置安装位置上下对称。

进一步地，当混响强度小于等于警戒判决值A₀时，罐体内液位达到警戒位置；当混响强度大于警戒判决值A₀时，罐体内液位未达到警戒位置。

一种基于上述液位报警系统的液位报警方法，过程为：设定警戒判决值A₀，控制发射装置在设定频率下发射超声波脉冲信号，接收一定时间内的连续混响信号，对接收的混响信号进行处理得到混响信号的混响强度，当混响强度小于等于警戒判决值A₀时，罐体内液位达到警戒位置；当混响强度大于警戒判决值A₀时，罐体内液位未达到警戒位置。

进一步地，所述警戒判决值A₀的范围为A₀≥A₁－(A₁－A₂)/2，A₁为第一标定值，A₂为第二标定值。

进一步地，所述第一标定值和第二标定值的确定方法为：调节罐体液位高度至第一位置，保持液位高度不变，调节控制系统发射频率，使控制系统得到的混响信号的混响强度达到最大值，此最大混响强度为第一标定值A₁，此时发射频率为f₀；调节罐体液位高度至第二位置，调节控制系统的发射频率为f₀，控制系统接收的混响信号，记录此混响信号的混响强度为第二标定值A₂，所述第一位置和第二位置关于发射装置安装位置上下对称。

更进一步地，所述对接收的混响信号进行处理得到混响信号的混响强度的过程为：对接收的混响信号进行放大、对放大的信号进行包络检波，对包络检波后的信号进行采样，对所有的采样值进行累加得到累加值后求取平均值，将平均值作为混响信号的混响强度。

本发明报警系统采用混响测量，可以实时接收到混响信号，检查精度高，避免了接收回波信号存在的报警精度低的问题；同时，本发明进行液位测量报警时，探头安装于罐体外壁上，不需要对液罐进行开孔，不改变液罐原有结构，实现时既可以通过收发信号分开的两个探头实现，也可以用一个探头实现，不仅客服了传统外贴式超声波液位开关需要检测安装点对面罐壁反射信号的问题，降低了设备安装调试难度，而且节约了硬件制造成本，具有良好的应用价值。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图2为本发明的另一种结构示意图。

图3为本发明控制系统的示意图。

图4为本发明的发射信号示意图。

图5为本发明接收的混响信号示意图。

图6为本发明混响信号包络检波示意图。

图中：1-发射装置；2-接收装置；3-控制系统；4-控制模块；5-信号接收模块；6-信号处理模块；7-信号采样模块；8-警报模块；9-罐体；10-警戒位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明基于超声波混响检测的液位报警系统包括

发射装置1，安装于罐体9外壁的警戒位置10(可以是高液位报警位置，也可以是低液位报警位置)，用于根据控制系统3设置的发射频率和数量发射超声波脉冲信号；

接收装置2，安装于罐体9外壁上，高度与发射装置1高度相同，用于接收一定时间内的连续混响信号并输出至控制系统3；

发射装置1和接收装置2可以是收发一体的设备如图1所示，即该设备发射信号的同时，也能同步接收混响信号；也可以是发射和接收信号分开的两个设备如图2所示，发射装置1和接收装置2均安装于罐体外壁上形成外贴式结构，不用改变罐体内部结构。根据警戒位置的数量，可同时设置多个发射装置和接收装置，实现多个液位报警测量。

控制系统3，用于设置发射装置1和接收装置2的发射频率和脉冲数量、设定警戒判决值A₀、对接收的混响信号进行处理得到混响信号的混响强度、根据混响强度与警戒判决值的比较结果判断罐体液位是否达到警戒位置，当混响强度小于等于警戒判决值A₀时，判断罐体内液位达到警戒位置进行报警；当混响强度大于警戒判决值A₀时，罐体内液位未达到警戒位置。有多个警戒位置时，每个警戒位置的警戒判决值A₀不一定相同，需分别进行设定。警戒判决值A₀的设定标准在下面进行描述。

如图3所示，控制系统3包括：

控制模块4，用于设置发射频率、设定警戒判决值、根据混响强度判断罐体液位是否达到警戒位置；

信号接收模块5，用于接收接收装置输出的连续的混响信号，包括混响信号的强度、混响信号数量、混响持续时间等；

信号处理模块6，用于对混响信号进行放大、对放大的信号进行包络检波；

信号采样模块7，用于对包络检波后的信号进行采样，对所有的采样值进行累加得到累加值后求取平均值，将平均值作为混响信号的混响强度输出至控制模块4；

警报模块8，用于在罐体液位达到警戒位置后发出报警信号。

一种基于上述液位报警系统的液位报警方法，过程为：设定警戒判决值A₀，在控制系统设定的频率(该频率与设定警戒判决值时的发射频率(即下面的f₀)相同)下，发射装置发射超声波脉冲信号，如附图4所示；发射完毕后，接收装置接收一定时间内的连续混响信号，如附图5所示，该信号是频率与发射信号一致的正弦脉冲信号，由于罐体存在混响，会在不同时刻接收到多个回波信号，且持续时间超出发射信号的持续时间；对接收的混响信号进行处理得到混响信号的混响强度，当混响强度小于等于警戒判决值A₀时，罐体内液位达到警戒位置进行报警；当混响强度大于警戒判决值A₀时，罐体内液位未达到警戒位置。

上述方案中，警戒判决值A₀的范围可以为A₀≥A₁－(A₁－A₂)/2，A₁为第一标定值，A₂为第二标定值。优选的警戒判决值A₀为A₀＝A₁－(A₁－A₂)/3。

因改变液位后，测量接收信号混响状态会发生改变，当液位面改变与上一此的状态反转后，由于超声波传输路径出现液体和气体之间的突变，控制系统接收信号混响强度也随之发生突变，基于此原理得到第一标定值和第二标定值的确定方法为：先调节罐体液位高度至第一位置(该位置可以位于警戒位置以上，也可以位于警戒位置以下)，保持液位高度不变，调节控制系统发射频率，使控制系统得到的混响信号的混响强度达到最大值，此最大混响强度为第一标定值A₁，并记录此时发射频率为f₀；然后改变液位高度，调节罐体液位高度至第二位置，调节控制系统的发射频率为f₀，控制系统接收的混响信号，记录此混响信号的混响强度为第二标定值A₂，所述第一位置和第二位置关于发射装置的安装位置上下对称。

上述方案中，对接收的混响信号进行处理得到混响信号的混响强度的过程为：对接收的混响信号进行放大到合适值，采用模拟检波或数字检波方式对放大的信号进行包络检波，包络信号如附图6所示，对包络检波后的信号进行采样，对所有的采样值进行累加得到累加值后求取平均值，将平均值作为接收的混响信号的混响强度。

本发明报警系统采用混响测量，可以实时接收到混响信号，检查精度高，避免了接收回波信号存在的报警精度低的问题；同时，本发明进行液位测量报警时，不需要对液罐进行开孔，不改变液罐原有结构，实现时既可以通过收发信号分开的两个探头实现，也可以用一个探头实现，不仅客服了传统外贴式超声波液位开关需要检测安装点对面罐壁反射信号的问题，降低了设备安装调试难度，而且节约了硬件制造成本，具有良好的应用价值。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。