[发明专利]基于固定频段声波共振频率的液位测量方法

说明书

技术领域

本发明属于测量技术，涉及基于固定频段声波共振频率的液位测量方法。

背景技术

基于声波反射原理的液位测量方法在许多工业领域中已经得到了广泛地应用，其中的超声波测量方法是最常用的方法之一。但是，在实际的工业应用中，被测液体表面常常会出现泡沫、残渣和沉积物等异物。当超声波遇到这些障碍物时，易发生寄生反射现象，改变传播路径，从而严重影响测量效果，大大降低超声波的测量精度。

而低频声波波长较长，遇到障碍物时会发生衍射，即声波可以绕开障碍物继续传播，避免了寄生反射。Denis Donlagic在文献《The Use of One-DimensionalAcoustical Gas Resonator for Fluid Level Measurements》IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement中，基于低频声波的共振原理，从初始共振频率(记为f₀)换算出液位高度。但是，该方法的最大量程取决于f₀，而该频率的最小值受扬声器原理、类型、声源体积和质量等因素的限制，一般仅为20Hz。由于量程越长，其对应的初始共振频率越小，若在标准声速下进行测量，与最小初始共振频率f₀＝20Hz对应的最大量程也只有8.28m。并且，这也对麦克风的灵敏度提出了较高的要求，而一般麦克风可以感应到的最低音频为20Hz左右，这些因素都极大的限制了该方法在长距离测量中的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于固定频段声波共振频率的液位测量方法。

本发明方法采用快速频率检测方法获取固定频段内由声波反射产生的一组共振频率；利用相邻共振频率的等差关系及基于共振频率的液位换算公式得到多个液位测量值，将它们取平均后作为最终的液位值，具体包括以下步骤：

步骤(1).将导声管竖直插入待测液面以下，扬声器和麦克风并排安装在导声管一端内，导声管的另一端没入液面以下，扬声器和麦克风所在水平面到液面的距离为待测液面高度L。

步骤(2).在时间段Δt内，通过DSP控制器的语音芯片输出频段D＝[a，b]Hz内的一组线性扫频正弦信号，并将该信号传给与语音芯片连接的扬声器。该扬声器发出的声波经导声管垂直于液面传播，传至液面后发生反射，形成的回波由麦克风采集，并输入所述的语音芯片。

在待测液面高度L范围内，[a，b]的选择需要保证a》20Hz且b-a＞3f₀，亦即频段D内至少出现3个共振频率，以此确定a、b的取值，f₀为初始共振频率。例如，当L最小取值为0.6m时，可选取D＝[1000，2500]Hz，这样可以保证该频段的回波中出现的共振频率个数M＝5，L越长在该频段内出现的共振频率越多。

步骤(3).该语音芯片把所采集得的声音信号转化为时域波形送给DSP控制器。

步骤(4).该DSP控制器采用快速傅里叶变换(FFT)将步骤(3)中的时域波形信号变换到时-频域中的频谱。

步骤(5).采用快速频率检测方法获取步骤(4)频谱中的M个共振频率点。

其步骤如下：

步骤(5.1)进行一次平滑处理：在该频谱图中，各个共振频率点的幅值都是局部极大值。由于频谱曲线并不满足单增(减)的理想趋势，无法直接通过逐点比较幅值的方法找到各个共振频率点。所以，设置宽度为ΔHz的窗口，该宽度Δ小于两个相邻共振频率差的2倍，以免平滑掉待选的共振频率点。从aHz至bHz滑动窗口，依次找到每个非重叠窗口中频率幅值最大的点，记为P(f₁，y₁)，P(f₂，y₂)，...，，共有N₁个，其中横坐标f表示频率，纵坐标y表示幅值。