[发明专利]基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，包括：

超声波发射电路，用于发射设定频率的超声波；

超声波接收电路，用于接收超声波在容器内壁和被测液体分界面产生的第一回波，以及超声波在被测液体和上方气体分界面产生的第二回波；

温度测量电路，用于实时测定被测液体温度；

补偿电路，用于根据被测液体温度对超声波在被测液体中的传播速度进行校正；

单片机控制系统，用于驱动超声波发射电路发射超声波，并计算两回波之间的时间差，根据测出的时间差和校正后的传播速度计算被测液体的液位。

2.根据权利要求1所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，超声波发射电路包括顺次连接的主控振荡器、整形电路、可控硅、匹配调谐器和发射换能器；主控振荡器用于产生单脉冲信号，整形电路对单脉冲信号滤波整形，整形后的单脉冲信号控制可控硅的导通和关闭，匹配调谐器用于控制发射超声波脉冲的震荡时间，发射换能器用于发射超声波。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，所述超声波发射电路发射的超声波为2.5MHZ频率的超声纵波。

4.根据权利要求1所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，超声波接收电路包括接收换能器、前置放大电路、电压比较电路、开关电路、高频放大电路、抑制电路和扫描电路；

接收换能器将接收到的回波信号分别通过前置放大电路和电压比较电路，电压比较电路对回波信号整形、滤除噪声，同时通过开关电路控制前置放大电路的开启/关闭，前置放大电路对回波信号进行阻抗匹配和功率放大处理，经高频放大电路放大处理，再经过抑制电路，抑制电路通过设定的比较门限判定是否接收到回波信号；扫描电路用于控制抑制电路是否接收回波信号。

5.根据权利要求4所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，所述发射换能器和接收换能器共用一个超声波探头，所述超声波探头为压电陶瓷单晶超声纵波直探头。

6.根据权利要求1所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，温度测量电路包括包括温度变送电路和温度采集电路，温度变速电路用于将液体温度转换为对应的电压值，温度采集电路用于将电压值转换为摄氏温度值。

7.根据权利要求1所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，液体液位检测系统还包括显示单元，用于显示被测液体的液位。

8.根据权利要求1所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统，其特征在于，检测系统还包括通信模块，用于与外部实时通信。

9.一种基于权利要求1所述基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、超声波发射电路通过超声波探头发射超声波；

步骤2、利用超声波接收电路接收超声波在容器内壁和被测液体分界面产生的第一回波，以及超声波在被测液体和上方气体分界面产生的第二回波；

步骤3、测量当前被测液体温度以及第一回波和第二回波之间的时间差；

步骤4、计算超声波在被测液体中的传播速度，并根据实时测得的被测液体温度对传播速度进行校正；

步骤5、根据测得是时间差和校正后的传播速度确定被测液体的液位。

10.根据权利要求9所述的基于超声脉冲回波法的非接触式液体液位检测系统的检测方法，其特征在于，所述超声波发射电路发出的超声波频率确定方法为：

面积为S的发射换能器晶体，在以频率f发射波长为λ的声波时，其指向性的增益为：

超声波的吸收值为：

α＝c₁f+c₂f

其中，c₁为超声波散射衰减系数；c₂为超声波吸收衰减系数。

设发射换能器T_m发出功率为P_T，接收换能器R_m接收到功率为P_R，两换能器间的有效距离为d，则声纳传递信息能量的方程有：

将c₁′＝c₁v，c₂′＝c₂v²代入上式得：

灵敏度最大的条件是当波长满足上列导数为0时，(-λ²+c′₁dλ+2dc′₂)应等于零，于是得最佳波长：

因此，吸收值为α时，最佳波长λ₀由上式求得，则最佳频率f₀为：

式中，α₁＝c₁f，α₂＝c₂f²。