基于迭代加权融合的声共振液位测量方法

摘要

本发明公开了一种基于迭代加权融合的声共振液位测量方法。它能够解决现有测量方法共振频率点漏检所造成的测量精度下降问题。本发明使用硬件系统在同一液位高度下，依次采集多组数据，分别对这几组数据进行快速傅立叶变换以及共振频率点的提取。求出第一组相邻共振频率点间差值的平均值，设置漏点信度区间，找出漏点位置及漏点数值，得到补完漏点后组成的新的频率序列。依次用新频率序列相邻点间差值的平均值与下一组的均值进行迭代融合得到融合后的共振频率点序列。利用融合后的共振频率点序列相邻点间的差值和液位换算公式得到多个液位测量值，将这多个液位测量值分段加补偿，求其平均值作为最终的液位高度值。本发明可得到精确的液位测量结果。

说明书

技术领域

本发明属于测量技术，涉及一种基于迭代加权融合的声共振液位测量方法。

背景技术

液位测量方法广泛应用于石油、化工、污水处理等许多工业领域。但是目前存在的液位测量方法已经有20余种，比如利用人工检尺、玻璃管、浮子式、电容法、超声波、雷达、光纤等来测量液位。其中，由于超声波液位测量方法可实现非接触式，高可靠性测量，因此其应用的最为广泛。但是在实际应用过程中，由于被测液体的表面常常会存在着一些泡沫、残渣等障碍物。当超声波遇到这些漂浮在液面上的异物时，容易发生寄生反射现象，即改变原来声波的传播方向，从而影响液位测量精度的严重下降。

而低频声波因其波长较长，当遇到异物时会发生衍射，即声波可以绕过异物继续向前传播，从而避免了寄生反射的发生。在文献《基于固定频段声波共振原理的液位测量方法》中，提出了利用固定频段声波共振原理的液位测量方法。该方法是将麦克风采集到的声波时域信号经过FFT(快速傅里叶变换)变换成频域信号，经过快速频率检测方法获取其固定频段内的共振频率点，并利用相邻共振频率点间的等差关系和基于共振频率的液位换算公式得到多组液位高度值，然后将其取平均值得到最终的液位高度值。但在实际的应用过程中，由于麦克风的灵敏度的问题以及ADC(模数转换器)模块在信号转化过程中会存在一定的偏差，以及周围环境温度、噪声等一些不确定性因素的存在，因此采集到的声波信号在一定程度上会存在噪声，或信号的衰减。从而在提取共振点时，部分共振点可能无法取到，使得固定频段声波共振频率的液位测量方法的精确度会大大降低。

发明内容

本发明的目的针对现有技术存在的不足，提出了一种基于迭代加权融合的声共振液位测量方法。

本发明依次提取多组在同一液位高度下用固定频段内声波产生的合成波形的共振频率点，然后通过迭代加权融合的方法将多组共振频率进行融合，并将融合结果经过液位换算公式转换为液位高度信息，具体包括以下步骤：

步骤(1).将导声管垂直于待测液体的液面插入到待测液体的底部，麦克风、扬声器和温度传感器并排放置在导声管的另一端，并保证扬声器和麦克风正对于待测液体的液面；

步骤(2).通过控制器产生一段频率范围为D＝[A,B]Hz的一组随时间均匀变化的正弦波扫频信号，扫频时间为ΔT,ΔT∈[1s,5s]，该扫频信号由扬声器垂直于待测液面发出并在导声管中传播，扫频范围[A,B]Hz的取值应该满足A＞＞20Hz且B-A>3F₀，其中F₀为初始条件下的共振频率；当扬声器发出的声波经导声管传播至待测液体液面时，其声波会发生反射形成反射波，反射波与扬声器发出的扫频声波进行叠加又会形成合成波传播至麦克风处；麦克风采集到合成波形，然后通过ADC(模数转换器)将声波信号转化为数字信号；

步骤(3).将采集到的数字信号经过控制器的FFT(快速傅立叶变换)使其由时域波形转化成频域波形；

步骤(4).利用专利《基于固定频段声波共振频率的液位测量方法》(CN101852638)中的快速频率检测方法提取频域中的共振频率点；

步骤(5).在同一液位高度的情况下，重复步骤(2)-(4)依次采集N组合成波序列，由于通过步骤(4)提取共振点时，会发生部分共振点遗漏的情况，亦即第一组采集到的频率点数n₁不等于第二组采集到的频率点数n₂不等于……不等于第N组采集到的频率点数n_N，因此需求取其相邻频率点之间的差值的平均值，利用该均值求取被遗漏的共振点(简称漏点)，其步骤如下：

步骤(5.1).对共振频率点求取其相邻两点之间的差值的平均值：通过步骤(4)采集到N组合成波的共振频率点序列，依次记第一组共振点序列为第二组为第三组记作……，第N组为f表示频率值，f的下标的第一位数表示组别数，下标的第二位表示该频率点所在序列中位置，n₁,n₂,......,n_N分别是各组序列中共振频率点的总个数，由于步骤(4)共振频率提取时会出现漏点，则有n₁≠n₂≠n₃≠......≠n_N,对P₁求出其相邻两点频率间的差值的平均值其中

步骤(5.2).设置漏点信度区间，找出漏点位置并求出该漏点：在步骤(5.1)中可得到第一组的频率均值求出其频率序列以为基准时的信度分布序列，即设置漏点信度区间I₁＝[0.6,1.55),I₂＝[1.56,2.3),I₃＝[2.3,3.0),I₄＝[3.0,4.0),I₅＝[4.0,4.9),I₆＝[4.9,5.59),I₇＝[5.59,6.5)；当R_1,i∈I₁时，g(i)＝0；当R_1,i∈I₂时，g(i)＝1；当R_1,i∈I₃时，g(i)＝2；当R_1,i∈I₄时，g(i)＝3；当R_1,i∈I₅时，g(i)＝4；当R_1,i∈I₆时，g(i)＝5；当R_1,i∈I₇时，g(i)＝6；其中g(i)为第i个频率序列区间漏点的个数，g(i)＝0,1,2,.....，i＝1,2,...n₁-1；当找到频率序列漏点区间，找出漏点个数时，用该区间频率间的差值的等分来取漏点的频率数值，t＝g(1)+g(2)+.....+g(i)，i＝1,2,....n₁，t为频率序列中所有漏点的总个数，然后得到第一组补点后的频率序列P₁'(f_1,1,f_1,2,...，f_1,n1,f_1,1',...,f_1,t)，并对P₁'进行重新排序得到新的频率序列P₁”＝{f₁(k),k＝1,2,.....,n₁+t}，k为重新排列后频率序列数，其中f₁(n₁+t)>.....>f₁(2)>f₁(1)；

步骤(6).对步骤(5)得到的第二组数据进行迭代加权融合：通过步骤(5.2)中得到的补点后的频率序列P₁”，求出相邻两点频率间的差值的平均值，得到新的频率均值

其中k＝1,2,.....,n₁+t，n₁为第一组数据补点前采集到的频率序列的总个数，t为所有漏点的总个数；通过步骤(5.1)中得到第二组频率序列均值用得到新的频率均值，并以为第二组补点的基准，重复步骤(5.2)得到第二组补完漏点的频率序列P₂'(f_2,1,f_2,2,...，f_2,n2,f_2,1',...,f_2,t)，重新排序后得到P₂”＝{f₂(k),k＝1,2,.....,n₂+t}，k为重新排列后频率序列数，其中f₂(n₂+t)>.....>f₂(2)>f₂(1)；通过重复步骤(5)、(6)可以得到下一组的补点后的频率序列；

步骤(7).通过步骤(5)、(6)迭代融合后得到第N组新的频率序列P_N”＝{f_N(k),k＝1,2,…,n_N+t},利用相邻共振点的频率等差关系，求取相邻两点间的间隔序列e(j)，e(j)＝f_N(k+1)-f_N(k)j＝k，k＝1,2,.....n_N+t-1,并利用下面的液位换算公式来计算该序列所对应的液位高度值，可以得到共n_N+t-1个液位高度L(j)：

其中T为环境的温度，t为漏点的总个数，ΔL是补偿项。

实际应用中，当液位高度较大时，声波在每次反射时经历了零度的相位偏移(压力波特性)，因此存在一定的“相位偏移”，影响测量结果；亦即需要补偿这因素引起的误差，采用分段补偿函数，将液位高度分为三段，各段测量高度增加一定的补偿量ΔL

将取得的L(j)求和取平均，得到最终的液位高度L

该方法中的控制器，采用具有较强处理能力的ARM架构的控制器，例如ST公司的生产的STM32F7系类的开发板；上面所用的音频处理芯片只需要完成声波信号的产生输送和采集，例如STM32F746G-DISCO开发板上搭载的音频解码芯片WM8994。

上述方法的关键技术在于：依次采集多组声波经过反射叠加后的合成波信号，通过快速频率检测方法依次提取各组合成波的共振频率点，通过迭代加权融合的方法将多组可能因为提取时存在漏点的声波的共振点频率进行融合，得到一组新的共振点频率序列，从而降低了因麦克风等硬件系统以及周围环境中一些不确定因素所带来影响测量结果的误差，进而提高了液位测量的精确度。

利用本发明提到的方法可以有效降低在快速频率检测方法提取合成波的共振频率点时所存在的误差，以及周围环境中所存在的一些不确定因素所造成的误差，使得其测量精度可达到1％，优于市面上大多数超声波液位仪的测量精度，同时也降低了测量成本。

附图说明

图1.本发明方法的硬件结构图；

图2.本发明方法的流程图；

图3麦克风采集到的声波的时域波形图；

图4是图3时域波形图所对应的频域图；

图5提取到的声波的共振频率点；

图6迭代加权融合方法求漏点流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

基于迭代加权融合的声共振液位测量方法的硬件结构如图1所示，包括控制器1、扬声器2、麦克风3、温度传感器4、导声管5和通气管6。其中的控制器选择STM32F746G-DISCO开发板板载的STM32F746G，音频解码芯片采用的是STM32F746G-DISCO开发板上搭载的WM8994，扬声器选用型号为F10电动式扬声器，麦克风选用TCM-340驻极体麦克，温度传感器选用DS18B20，导声管选用直径7.5cm的PVC管。控制器通过扬声器将一组固定频段D＝[A,B]Hz的正弦波扫频信号以声波的形式输出，且该声波信号是均匀变化的。该声波信号经导声管传播至待测液体表面后会发生反射形成反射波，反射波与扬声器发出的扫频声波进行叠加形成合成波被麦克风采集到，然后通过ADC(模数转换器)将合成波信号转化为数字信号传输至控制器。

基于迭代加权融合的声共振液位测量方法流程如图2所示，核心部分为：在同一液位高度下依次采集多组合成波信号，利用快速频率检测方法获取其共振频率点序列23。计算第一组相邻频率点间的差值的平均值24，设置漏点信度区间，找出漏点位置并求出该漏点25，计算补完漏点后新的频率序列的频率均值26。用24、26所得的频率均值和的平均为基准来获取下一组漏点的位置和数值27，求得其新频率序列相邻共振频率点间的差值28。将28得到的相邻共振点的间隔以及根据温度传感器得到的温度数值，计算出液位的高度30，然后进行适当的分段补偿31，求出最终的液位高度32，进行结果的输出32。

下面根据该方法的流程，并结合实际测量环境以及液位测量实例，详细的介绍该方法的每一个步骤。

1测试环境及参数的设置

设置硬件结构图1中的各个参数：最大的测量高度w＝10.6m，可测量的最大距离h_max＝10m，死区的长度dz＝0.6m，导声管(PVC管)的直径d＝0.07m，其中扫频时间是2s，扫频的频段D＝[1000,2000]Hz。在Δt＝2s的时间内，声波的扫频频率从1000Hz到2000Hz是均匀变化的。声波信号是由扬声器发出，通过导声管到达待测液体表面后发生反射，再由麦克风采集到，这个过程会存在偏差，因此选取频段为[1000Hz,2000Hz]内的频谱图。图3，图4分别是L＝3.8m麦克风采集到的声波信号的时域波形和频域波形。

2利用迭代加权融合方法对其中两组共振频率点序列进行迭代融合

该步骤的流程图如图6所示，具体的步骤如下：

(1)求取共振频率点序列的均值。从图5的频谱图中可以看出，利用快速频率检测方法提取共振点时，可能会出现遗漏一些共振频率点，造成所测的液位高度的准确率大大降低。为了降低这种原因所造成的误差，使用迭代加权的方法将遗漏的共振频率点找出并补上去。在融合之前需要对数据进行归一化，例如在图5中两组共振频率序列和这两组声波的共振点的个数分别有n₁和n₂个，且n₁≠n₂，其中f表示频率值。分别求出这两组数据的相邻共振频率点间的差值的平均值

(2)设置漏点信度区间，找出漏点位置并求出漏点

经过步骤(1)得到两组的共振频率点的相邻两点间隔的均值和以为该组的基准求出其频率序列的信度分布序列，设置漏点信度区间I₁＝[0.6,1.55)I₂＝[1.56,2.3),I₃＝[2.3,3.0),I₄＝[3.0,4.0),I₅＝[4.0,4.9),I₆＝[4.9,5.59),I₇＝[5.59,6.5)；当R_1,i∈I₁时，g(i)＝0；当R_1,i∈I₂时，g(i)＝1；当R_1,i∈I₃时，g(i)＝2；当R_1,i∈I₄时，g(i)＝3；当R_1,i∈I₅时，g(i)＝4；当R_1,i∈I₆时，g(i)＝5；当R_1,i∈I₇时，g(i)＝6；其中g(i)为第i个频率序列区间漏点的个数，g(i)＝0,1,2,.....，i＝1,2,...n₁-1；当找到频率序列漏点区间，找出漏点个数时，用该区间频率间的差值的等分来取漏点的频率数值，即t＝g(1)+g(2)+.....+g(i)，i＝1,2,....n₁，t为频率序列中所有漏点的总个数；求得第一组补点后的频率序列P₁'(f_1,1,f_1,2,...，f_1,n1,f_1,1',...,f_1,t)，并进行重新排序得P₁”＝{f₁(k),k＝1,2,.....,n₁+t}，k为重新排列后频率序列数，其中f₁(n₁+t)>.....>f₁(2)>f₁(1)；求取P₁”的相邻频率点间隔的平均值

(3)用迭代的方法求取第二组补完漏点后的频率序列

由于周围环境的影响以及硬件系统测量时存在误差等不确定因素的影响，造成得到的共振频率序列本身存在一定的不确定性。为了减少这种不确定性所带来的误差，用第一组补点后的新的频率序列间隔的均值和第二组补点前的均值和的平均来减少其测量误差，即用来求取第二组的频率序列P₂'(f_2,1,f_2,2,...，f_2,n2,f_2,1',...,f_2,t)，重新排序后得P₂”＝{f₂(k),k＝1,2,.....,n₂+t}；同理,用迭代加权融合的方法可以得出第N组的频率序列P_N”＝{f_N(k),k＝1,2,…,n_N+t}。

(4)求相邻频率点间的差值。按照上面的方法得到迭代加权融合后的频率点序列P_N”＝{f_N(k),k＝1,2,…,n_N+t}，取相邻的两个频率点间的间隔序列为e(j)，其中e(j)的具体操作如公式(6)所示。

e(j)＝f_N(k+1)-f_N(k)j＝k，k＝1,2,.....n_N+t-1>

(5)求液位的高度。通过上面的方法得到融合后相邻频率点之间的间隔序列e(j)，根据各个序列求得液位高度的公式如公式(7)所示：

其中，T为环境的温度，t为漏点的总个数，ΔL是补偿项；实际应用中，当液位高度较大时，声波在每次反射时经历了零度的相位偏移(压力波特性)，因此存在一定的“相位偏移”，影响测量结果；亦即需要补偿这因素引起的误差，采用分段补偿函数，将液位高度分为三段，各段测量高度增加一定的补偿量ΔL

将取得的L(j)求和取平均，得到最终的液位高度L