[发明专利]一种基于时延法测距的高精度超声波液位计

说明书

技术领域

    本发明涉及一种测距装置，特别是一种基于时延法测距的高精度超声波液位计。   

背景技术

在科技日益发达的今天，随着超声波技术的飞速发展和广泛应用，超声波在日常生活以及工业等领域中得到了广泛地应用，例如雷达探测、室外工地测距、测量水库水位、测量容器深度等。液位测量在工业生产中扮演着一个相当重要的角色，通过测量容器内液位能确定液体原料的数量，对容器内液面高度的实时测量和监视可以保障工业生产的连续性、可靠性和安全性，为生产环节的物料平衡和生产预算提供依据。同时液位测量与我们日常生活也息息相关，不仅用于各种容器管道内的液体测量，甚至还用于江河湖海和水库等的水位测量。

目前无论是水库水位的测量、大型油罐液位的测量，还是小型容器液位的测量或者其它液位测量，都对其测量精度提出了越来越高的要求。例如石化部门使用的大型储油罐容量一般在1000~100000m3之间，则很小的液位测量误差都会造成很大的绝对误差。因此，高精度的液位测量在日常生活和工业生产中具有重要的地位。

超声波液位计能够通过非接触方式测量液面高度，因此无需接触液面就能达到液位测量的目的，特别适合于冶金和化工等工业中带有强腐蚀、强辐射、强污染以及强酸强碱等恶劣条件下的液位测量。超声波在不同介质中的传播速度是不一样的，即使是在同一介质，速度也受各种各样的因素影响，例如温度、压力、湿度、成分和粘度等。为了提高超声波液位计的测量精度，就必须设法获取超声波在工作环境中的精确传播速度。在传统的超声波液位系统中，大多采用通过测量温度来校正声速，从而提高液位测量精度，一般在系统中加入测温模块以获取超声波传播环境的温度T后，通过公式                                               来对声速进行校正。但是该方法只考虑了温度的影响而忽略了其他因素如湿度、压力等对超声波的传播速度的影响，而且温度测量也存在一定程度的误差，导致利用该方法的超声波液位仪的测量精度仍较低。而另一种采用自校准技术对声速补偿的方法是在系统中设置参考挡板，并使参考探头与挡板距离保持一定值，且此挡板不能挡住另一个探头到液面的超声波，超声波从参考探头发出，经参考挡板发射后回至探头而被接收，由于参考探头与挡板之间距离是精确已知的，因此利用参考探头能计算出在工作环境中的声速，这种方法可以补偿任何因素如温度、湿度和压力等引起的声速变化。但是在容器内安装挡板不仅增加了施工难度，而且挡板过小减弱了挡板反射的超声波，而挡板过大影响另一个探头到液面的超声波，因此挡板过小和过大都会对此类超声波液位计的正常工作产生一定的影响。本发明提出了一种新的自校准技术来对声速进行校正，从而实现超声波液位的精确测量。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于时延法测距的高精度超声波液位计。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，包括单片机控制器、键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块，所述的键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块分别与所述的单片机控制器相连接，串口通信模块还连接有PC机，所述的超声波收发模块设置有两个，所述的两个超声波收发模块设置在液面的上方，且两个超声波收发模块距液面的高度不相同。

作为本发明的一种改进，所述的单片机控制器采用的型号为STC89C52。

作为本发明的一种改进，所述的超声波收发模块采用的型号为HC-SR04。

作为本发明的一种改进，所述的存储模块采用存储器AT24C02。

作为本发明的一种改进，所述显示模块包括1602LCD显示屏。

作为本发明的一种改进，所述报警模块主要由蜂鸣器、三极管以及电阻构成。

本发明的有益效果：

本发明设计的超声波液位计无需增加测温单元或安装挡板，就能补偿任何因素如温度、湿度和压力等引起的声速变化，而且也不存在挡板安装施工难以及挡板大小选择不当影响液位测量的问题。该超声液位计利用两个布置在不同高度上的超声探头的测量结果来修正声速并消除单片机内部的硬件延时误差，并采用算术平均滤波的方法降低由于外部环境原因造成液面不够平稳而产生的误差，从而实现超声波液位的精确测量。本系统能实现对测量数据的保存，以方便后续的制表以及测量曲线图的绘制，报警电路可以全天候地进行有效预警，并设计了串口通信模块，使得操作人员可以通过PC机对液位计进行远程监控，为操作人员在室外的测量工作带来了极大的便利。

附图说明