[發明專利]基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統及方法

在審

• 申請號: 201610239424.2
• 申請日: 2016-04-18
• 公開（公告）號: CN105758499A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 王超塵;何莉君;鄒衛軍;楊濱華;吳松;徐松;張展鵬
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01F23/296
• 分類號: G01F23/296
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬;朱顯國

1.一種基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，包括：

超聲波發射電路，用于發射設定頻率的超聲波；

超聲波接收電路，用于接收超聲波在容器內壁和被測液體分界面產生的第一回波，以及超聲波在被測液體和上方氣體分界面產生的第二回波；

溫度測量電路，用于實時測定被測液體溫度；

補償電路，用于根據被測液體溫度對超聲波在被測液體中的傳播速度進行校正；

單片機控制系統，用于驅動超聲波發射電路發射超聲波，并計算兩回波之間的時間差，根據測出的時間差和校正后的傳播速度計算被測液體的液位。

2.根據權利要求1所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，超聲波發射電路包括順次連接的主控振蕩器、整形電路、可控硅、匹配調諧器和發射換能器；主控振蕩器用于產生單脈沖信號，整形電路對單脈沖信號濾波整形，整形后的單脈沖信號控制可控硅的導通和關閉，匹配調諧器用于控制發射超聲波脈沖的震蕩時間，發射換能器用于發射超聲波。

3.根據權利要求1或2所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，所述超聲波發射電路發射的超聲波為2.5MHZ頻率的超聲縱波。

4.根據權利要求1所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，超聲波接收電路包括接收換能器、前置放大電路、電壓比較電路、開關電路、高頻放大電路、抑制電路和掃描電路；

接收換能器將接收到的回波信號分別通過前置放大電路和電壓比較電路，電壓比較電路對回波信號整形、濾除噪聲，同時通過開關電路控制前置放大電路的開啟/關閉，前置放大電路對回波信號進行阻抗匹配和功率放大處理，經高頻放大電路放大處理，再經過抑制電路，抑制電路通過設定的比較門限判定是否接收到回波信號；掃描電路用于控制抑制電路是否接收回波信號。

5.根據權利要求4所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，所述發射換能器和接收換能器共用一個超聲波探頭，所述超聲波探頭為壓電陶瓷單晶超聲縱波直探頭。

6.根據權利要求1所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，溫度測量電路包括包括溫度變送電路和溫度采集電路，溫度變速電路用于將液體溫度轉換為對應的電壓值，溫度采集電路用于將電壓值轉換為攝氏溫度值。

7.根據權利要求1所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，液體液位檢測系統還包括顯示單元，用于顯示被測液體的液位。

8.根據權利要求1所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統，其特征在于，檢測系統還包括通信模塊，用于與外部實時通信。

9.一種基于權利要求1所述基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、超聲波發射電路通過超聲波探頭發射超聲波；

步驟2、利用超聲波接收電路接收超聲波在容器內壁和被測液體分界面產生的第一回波，以及超聲波在被測液體和上方氣體分界面產生的第二回波；

步驟3、測量當前被測液體溫度以及第一回波和第二回波之間的時間差；

步驟4、計算超聲波在被測液體中的傳播速度，并根據實時測得的被測液體溫度對傳播速度進行校正；

步驟5、根據測得是時間差和校正后的傳播速度確定被測液體的液位。

10.根據權利要求9所述的基于超聲脈沖回波法的非接觸式液體液位檢測系統的檢測方法，其特征在于，所述超聲波發射電路發出的超聲波頻率確定方法為：

面積為S的發射換能器晶體，在以頻率f發射波長為λ的聲波時，其指向性的增益為：

超聲波的吸收值為：

α＝c₁f+c₂f

其中，c₁為超聲波散射衰減系數；c₂為超聲波吸收衰減系數。

設發射換能器T_m發出功率為P_T，接收換能器R_m接收到功率為P_R，兩換能器間的有效距離為d，則聲納傳遞信息能量的方程有：

將c₁′＝c₁v，c₂′＝c₂v²代入上式得：

靈敏度最大的條件是當波長滿足上列導數為0時，(-λ²+c′₁dλ+2dc′₂)應等于零，于是得最佳波長：

因此，吸收值為α時，最佳波長λ₀由上式求得，則最佳頻率f₀為：

式中，α₁＝c₁f，α₂＝c₂f²。