[发明专利]一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法

说明书

本发明涉及一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法。根据合成声波中相邻三个时刻波长与被测液位高度之间的复杂非线性关系，构建关于驻波波长的二维动态系统模型(包含状态方程和观测方程),并构建发声/收声系统对应的状态和观测噪声证据；然后利用证据推理和随机集理论设计递归循环的驻波波长估计策略，并从递归循环的融合结果推理每个时刻驻波波长估计值；最后由每个时刻驻波波长估计值获得每个时刻液位高度估计值，并对其取平均值计算最终液位高度估计值。该方法可有效地抑制液位测量过程中的系统性及外界噪声误差，从而降低最终的测量误差，对于提升声共振技术的测量精度以及可靠性具有重要的实际意义。

技术领域

本发明属于液位测量技术领域，涉及一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法。

背景技术

基于声共振反射原理的液位测量方法已经在污水处理、化学过程、石油存储和运输等行业领域得到了广泛应用。但在实际应用中，由于液体的特殊物理性质和外界晃动，会使得测量液体表面出现泡沫或漂浮物，从而影响测量液位的准确性。虽然利用易发生衍射现象的低频声波等固定频段声共振方法可以有效地解决上述问题，但固定频段声波共振测量原理中发声/收声系统及外界噪声引起的误差会降低最终测量精度。因此根据合成声波中相邻三个时刻驻波波长与测量高度之间的复杂非线性关系，构建关于驻波波长的二维动态系统模型，降低系统噪声影响；并结合证据推理理论和随机集理论等知识，设计递归循环的波长估计方法，降低外界噪声的不确定性影响；最后计算出被测液位高度的估计值。该方法可以有效提升声共振技术的测量精度以及可靠性，对液位测量技术应用具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的第一个目的是针对固定频段声波共振测量原理中发声/收声系统及外界噪声引起的误差，提出一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法。

本发明首先根据合成声波中相邻三个时刻驻波波长与测量高度之间的复杂非线性关系，构建关于驻波波长的二维动态系统模型(包含状态方程和观测方程)，并基于三角形可能性分布模型建模发声/收声系统对应的状态和观测噪声，进而构造相应的系统状态和观测噪声证据。然后，设计递归循环的驻波波长估计策略，并从递归循环的融合结果推理每个时刻驻波波长估计值；最后由每个时刻驻波波长估计值获得每个时刻液位高度估计值，并对其取平均值计算最终液位高度估计值。该方法可有效地抑制液位测量过程中的系统性及外界噪声误差，从而降低最终的测量误差，对于提升声共振技术的测量精度以及可靠性具有重要的实际意义。

本发明提出的一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法，包括以下各步骤：

一种基于二维动态系统模型的低频声波液位估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤；

步骤(1)：利用测量系统的声音发射装置在固定频段内向被测液面垂直持续发射低频声波，液面反射的声波与发射的声波在导声管中产生共振现象，形成驻波，由声音接收装置接收该合成声波；

测量系统包括控制器、导声管、温度传感器、声音发射装置、声音接收装置等；其中声音发射装置为扬声器，声音接收装置为麦克风；导声管垂直于液面插入待测液体中，麦克风、扬声器和温度传感器安装在导声管的一端，并保证麦克风和扬声器处于同一水平面；导声管的另一端处于液面以下，扬声器和麦克风所处平面与液面的距离为测量高度；

发射声波和反射声波分别用y₁和y₂表示：

y₁和y₂的合成声波表示为：

其中A表示振幅，λ表示波长，L表示声音收发装置到液面的测量高度，P表示频率，t表示采样时间；

合成声波中包含一系列的驻波，当合成声波的振幅为最大时，测量高度与波长之间满足