一种基于超声波的实时液位监测系统及方法

1.本发明涉及液位测量技术领域，尤其涉及一种基于超声波的实时液位监测系统及方法。


背景技术：

2.随着石油、化工等领域的快速发展与进步，能源储存问题日渐受到大家重视。由于工业生产液体常具有高温高压、易燃易爆、强腐蚀性等特性，使其必须置于密闭容器中，所以对其液位进行实时监测和精确测量有着重要的意义，同时也是实现安全、高效工业生产的重要保障。
3.液位测量技术总体可分为接触式液位测量技术和非接触式液位测量技术。由于待测液体高温、易爆且具有一定的毒性和腐蚀性，故非接触式液位测量技术越来越受到人们的青睐。
4.目前广泛使用的非接触式测量液位技术包括：雷达液位测量技术、激光液位测量技术、红外线液位测量技术、图像处理液位测量技术、超声波液位测量技术。
5.雷达液位测量技术造价成本过高且多应用于军事领域；激光液位测量技术成本略高且维修困难；红外线液位测量技术容易受到光线强度和待测液体颜色的影响；图像处理液位测量技术算法非常复杂且技术成本较高。
6.超声波液位测量技术因其造价成本低、适用范围广、安全可靠等特点使其广泛应用在密闭容器液位测量领域。但由于密闭容器较大和内部待测液体的特殊性，使得超声波液位测量技术在液位测量的方式方法、精确度和实时性方面面临更高的挑战。


技术实现要素：

7.本发明提供一种基于超声波的实时液位监测系统及方法，以确保超声波液位测量的精确性和实时性。
8.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
9.一种基于超声波的实时液位监测系统，包括：液位探测箱和超声波液位检测装置；
10.所述液位探测箱包括箱体、上连通管和下连通管，所述箱体上部通过上连通管与待测容器的上部连通，所述箱体下部通过下连通管与待测容器的下部连通；
11.所述超声波液位检测装置设置在箱体底部外侧壁上，所述超声波液位检测装置包括能够进行数据交互的主控模块和功能模块，所述功能模块包括第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块；
12.所述箱体内高于超声波液位检测装置顶部的气液分界面为可测量气液分界面；
13.所述第一收发一体超声模块能够向箱体处于可测量气液分界面下方的内侧壁发射探测信号并接收所发射的探测信号生成的回波信号；
14.所述第二收发一体超声模块能够向可测量气液分界面发射探测信号并接收所发射的探测信号生成的回波信号；
15.所述主控模块能够根据第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的回波信号计算出液位信息。
16.进一步的，还包括终端设备，所述终端设备搭载客户端软件，所述客户端软件能够将液位信息和温度信息生成图表并显示；
17.所述功能模块还包括温度模块，所述温度模块能够检测第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的温度信息。
18.进一步的，所述功能模块还包括报警模块，所述报警模块能够根据预设的液位报警阈值和温度报警阈值，在液位/温度超限时进行声光报警。
19.进一步的，所述功能模块还包括数据远传模块、数据显示模块、按键控制模块和电源模块；
20.所述数据远传模块能够将液位信息和温度信息传递至客户端软件；
21.所述数据显示模块能够显示液位信息和温度信息；
22.所述按键控制模块能够输入液位监测的初始参数。
23.进一步的，所述第一收发一体超声模块为第一超声波探头，所述第二收发一体超声模块为第二超声波探头，所述数据显示模块为显示面板，所述温度模块为温度传感器；
24.所述超声波液位检测装置还包括矩形体状的盒体，所述第二超声波探头固定在盒体顶面，所述第一超声波探头和显示面板分别安装在盒体两个相对的侧面上；
25.所述温度传感器与第一超声波探头安装在盒体的同一侧面上。
26.进一步的，所述第一超声波探头、第二超声波探头和温度传感器靠近箱体的一端设有隔热层。
27.进一步的，所述超声波液位检测装置还包括检修挡板，所述检修挡板与盒体可拆卸连接，所述检修挡板设置在盒体未安装第一超声波探头和显示面板的两个侧面上。
28.进一步的，所述液位探测箱还包括冲洗管和排污管；
29.所述冲洗管设置在箱体顶部，所述排污管设置在箱体底部。
30.进一步的，所述箱体设有用于放置超声波液位检测装置的凹槽，所述凹槽上设有滑槽，所述超声波液位检测装置上设有与滑槽对应的滑轨，所述超声波液位检测装置与箱体滑动连接。
31.本发明还包括一种基于超声波的实时液位监测系统的监测方法，包含以下步骤：
32.s1：设备自检，温度模块检测第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的工作温度t，若工作温度t在允许范围内，则开始液位监测，若工作温度t超过允许范围，则采取隔热措施，直至工作温度t在允许范围内；
33.s2：第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块同时发射探测信号，每次发射的时间间隔为δt，每次发射探测信号的序号为i，并同步开始各自计时；
34.若第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块均能接收到回波信号，则当第二收发一体超声模块接收到可测量气液分界面处回波信号时该所属计时结束，当第一收发一体超声模块接收到箱体内侧壁面处的回波信号时该所属计时结束；
35.若第一收发一体超声模块和/或第二收发一体超声模块未能接收到回波信号，则标记当次采样序号i且赋予hi一个极大值；
36.s3：主控模块分别计算第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块所发射的探测信号与接收的回波信号的时间差t1和t2；
37.通过上述探测信号与回波信号的时间差t1、t2以及第一收发一体超声模块与内侧壁面的距离l，计算求得箱体内第i次采样的液位高度hi，计算公式为：
[0038][0039]
通过上述液位高度hi，计算求得箱体内次采样的平均液位高度h，计算公式为：
[0040][0041]
通过上述平均液位高度h以及所述下连通管与待测容器底部的高度差δh，计算求得待测容器内第j秒的液位高度hj，j＝1、2......，计算公式为：
[0042]hj
＝δh+h
[0043]
通过上述液位高度hj，计算求得待测容器内液位高度升降速率v，计算公式为：
[0044]
v＝h
j+1-hj[0045]
s4：客户端软件界面上显示温度信息和液位信息，同时报警模块根据用户自定义的报警阈值发出声光报警；
[0046]
s5：客户端软件根据工作温度t、平均液位高度h、液位高度升降速率v形成与时间相关曲线图和相应的报警日志。
[0047]
本发明的有益效果：
[0048]
本发明提供的一种基于超声波的实时液位监测系统及方法，其液位探测箱通过上连通管和下连通管与待测容器连通形成连通器的结构，箱体相较于待测容器容积更小，对于待测容器内的液体变化更为敏感，间接液位测量使得液位测量误差更小，精确度更高；
[0049]
其超声波液位检测装置利用第一收发一体超声模块接发信号，主控模块通过接发信号的时间差计算得到当前温度和介质下的音速，主控模块通过计算得到的音速和第二收发一体超声模块接发信号的时间差计算出液位信息，每秒内多次接发信号测量计算出当前液位信息，实时性和精度更高，计算所需参数均为已知量或现场测量所得，无需额外计算，使得液位计算方法更简便、对待测液体的温度及种类限制更小、适用范围更广泛、液位测量精确度更高；
[0050]
小部分偏差过大的液位高度数据或未接收到回波信号的情况会被自动标记并报警，使得对液位探测箱内液体状态评估更加准确，进而可以减小由于气泡或悬浮物所引起的液位测量误差，使得液位测量精确度更高。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0052]
图1为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的结构示意图；
[0053]
图2为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的液位探测箱的结构示意图；
[0054]
图3为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的液位探测箱与超声波液位检测装置的配合示意图；
[0055]
图4为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的超声波液位检测装置的爆炸图一；
[0056]
图5为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的超声波液位检测装置的爆炸图二；
[0057]
图6a为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的超声波液位检测装置的纵剖图；
[0058]
图6b为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的超声波液位检测装置的俯视图；
[0059]
图6c为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的第一超声波探头与第一超声波探头安装座的配合示意图；
[0060]
图7为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的超声波液位检测装置的主视图；
[0061]
图8为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的尺寸关系图；
[0062]
图9为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的客户端软件的操作界面图一；
[0063]
图10为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的客户端软件的操作界面图二；
[0064]
图11为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的客户端软件的操作界面图三；
[0065]
图12为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的客户端软件的操作界面图四；
[0066]
图13为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的客户端软件的操作界面图五；
[0067]
图14为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的超声波液位检测装置的各模块关系图；
[0068]
图15为本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的超声波液位检测方法的流程示意总图；
[0069]
图16a为图15的步骤一；
[0070]
图16b为图15的步骤二；
[0071]
图16c为图15的步骤三；
[0072]
图16d为图15的步骤四；
[0073]
图16e为图15的步骤五。
[0074]
图中：1、液位探测箱；
[0075]
11、箱体；12、上连通管；13、下连通管；14、冲洗管；15、排污管；16、滑槽；
[0076]
2、超声波液位检测装置；
[0077]
201、灯光报警器；202、声音报警器；203、usb数据传输接口；204、电源；205、控制键盘；
[0078]
21、第一超声波探头；211、第一超声波探头安装座；
[0079]
22、第二超声波探头；221、第二超声波探头安装座；
[0080]
23、盒体；231、支撑板；
[0081]
24、显示面板；241、液位高度显示屏；242、工作温度显示屏；243、wifi显示屏；
[0082]
25、温度传感器；251、温度传感器安装座；
[0083]
26、隔热层；27、检修挡板；28、滑轨；29、stm32单片机；210、wifi网卡；a、待测容器；b、终端设备。
具体实施方式
[0084]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0085]
本实施例提供了一种基于超声波的实时液位监测系统，如图1所示，包括：液位探测箱1和超声波液位检测装置2；
[0086]
如图2所示，所述液位探测箱1包括箱体11、上连通管12和下连通管13，所述箱体11上部通过上连通管12与待测容器a的上部连通，所述箱体11下部通过下连通管13与待测容器a的下部连通；
[0087]
所述超声波液位检测装置2设置在箱体11底部外侧壁上，所述超声波液位检测装置2包括能够进行数据交互的主控模块和功能模块，所述功能模块包括第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块；
[0088]
所述箱体11内高于超声波液位检测装置2顶部的气液分界面为可测量气液分界面；
[0089]
所述第一收发一体超声模块能够向箱体11处于可测量气液分界面下方的内侧壁发射探测信号并接收所发射的探测信号生成的回波信号；
[0090]
所述第二收发一体超声模块能够向可测量气液分界面发射探测信号并接收所发射的探测信号生成的回波信号；
[0091]
所述主控模块能够根据第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的回波信号计算出液位信息，在本实施例中，如图6a所示，所述主控模块为stm32单片机29，主控模块与功能模块的关系如图14所示；
[0092]
本实施例提供的一种基于超声波的实时液位监测系统，箱体11通过上连通管12和下连通管13与待测容器a连通形成连通器的结构，箱体11相较于待测容器a容积更小，对于待测容器a内的液体变化更为敏感，间接液位测量使得液位测量误差更小，精确度更高，同时对大型、形状不规则和不易放置测量仪器的待测容器a的液位测量更方便，超声波液位检测装置2不直接与待测液体接触，因此适用于高温、高压、高湿及高腐蚀液体的液位测量。
[0093]
在具体实施例中，还包括终端设备b，所述终端设备b搭载客户端软件，所述客户端
软件能够将液位信息和温度信息生成图表并显示；
[0094]
所述功能模块还包括温度模块，所述温度模块能够检测第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的温度信息；
[0095]
所述终端设备b需要具有数据远传和存储功能，在本实施例中，所述终端设备为计算机。
[0096]
在具体实施例中，如图10所示，客户端软件的操作界面包含功能区和数据区，通过点击对应区域上的功能按键完成相关的数据查询和功能设置操作；
[0097]
功能区包括用户登录、监测、历史和设置等四项功能，如图9和图10所示，所述监测功能包括综合数据监测，如图11所示，历史功能包括日报告、周报告、月报告、季度报告和年报告，如图12和图13所示，设置功能包括参数设置；
[0098]
数据区包括综合数据监测数据区、报告数据区、设置数据区，如图9至图11所示，综合数据监测数据区包括当地时间、待测容器液位高度、待测容器液位高度随当地时间的变化曲线、液位高度报警日志、待测容器液位高度上升速率、待测容器液位高度上升速率随当地时间的变化曲线、液位高度上升速率报警日志、待测容器液位高度下降速率、待测容器液位高度下降速率随当地时间的变化曲线、液位高度下降速率报警日志、设备工作温度、设备工作温度随当地时间的变化曲线和设备工作温度报警日志；
[0099]
如图9至图11所示，报告数据区包括时间设定、待测容器液位高度随设定时间的变化曲线、待测容器液位高度上升速率随设定时间的变化曲线、待测容器液位高度下降速率随设定时间的变化曲线、设备工作温度随设定时间的变化曲线和详情日志；
[0100]
如图12至图13所示，设置数据区包括初始高度值、液位高度预警阈值、液位高度报警阈值、液位高度上升速率报警阈值、液位高度下降速率报警阈值、液位高度精度、设备工作温度预警阈值、设备工作温度报警阈值、设备工作温度精度、时间校准和wifi连接；
[0101]
客户端软件能够对液位数据和温度数据进行整理并形成各式定期报告，便于用户对各时期待测容器内液位数据和温度数据进行查询和分析。
[0102]
在具体实施例中，所述功能模块还包括报警模块，所述报警模块能够根据预设的液位报警阈值和温度报警阈值，在液位/温度超限时进行声光报警。
[0103]
在具体实施例中，所述功能模块还包括数据远传模块、数据显示模块、按键控制模块和电源模块；
[0104]
所述数据远传模块能够将液位信息和温度信息传递至客户端软件；
[0105]
所述数据显示模块能够显示液位信息和温度信息(温度信息为第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的工作温度)；
[0106]
所述按键控制模块能够输入液位监测的初始参数。
[0107]
在具体实施例中，如图6a所示，所述数据显示模块为连接stm32单片机29的显示面板24，如图7所示，所述显示面板24上设有液位高度显示屏241、工作温度显示屏242和显示网络连接状态的wifi显示屏243；
[0108]
所述数据远传模块包括设置在显示面板24上的usb数据传输接口203以及连接stm32单片机29的wifi网卡210，所述usb数据传输接口203用于数据有线传输，所述wifi网卡210用于数据无线传输(无线传输能够大大减少现场布线成本)，可以根据现场实际情况选择合适的数据传输方式；
[0109]
如图7所示，所述按键控制模块为设置在显示面板24上的控制键盘205，用于输入液位监测所需参数(包括如图8所示的第一收发一体超声模块与内侧壁面的距离l、下连通管13(内壁顶部)与待测容器底部的高度差δh以及第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块每次发射的时间间隔δt)，液位监测所需参数可通过控制键盘205或客户端软件进行设置，可以根据实际情况和待测容器a的数值进行调整，以适应不同规格的待测容器a的液位测量；
[0110]
所述按键控制模块还用于控制网络连接、第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的开闭状态；
[0111]
所述电源模块为设置在显示面板24上的电源204。
[0112]
在具体实施例中，如图7所示，所述报警模块为设置在超声波液位检测装置2的显示面板24上的灯光报警器201和声音报警器202。
[0113]
在具体实施例中，如图4所示，所述第一收发一体超声模块为第一超声波探头21，如图5所示，所述第二收发一体超声模块为第二超声波探头22，如图7所示，所述数据显示模块为显示面板24，在本实施例中，显示面板24与盒体23通过螺纹紧固件可拆卸连接，如图4所示，所述温度模块为温度传感器25；
[0114]
所述超声波液位检测装置2还包括矩形体状的盒体23，所述第二超声波探头22固定在盒体23顶面，所述第一超声波探头21和显示面板24分别安装在盒体23两个相对的侧面上；
[0115]
所述温度传感器25与第一超声波探头21安装在盒体23的同一侧面上；
[0116]
在具体实施例中，所述盒体23顶面上设有第二超声波探头安装座221，用于安装第二超声波探头22，所述第二超声波探头安装座221通过支撑板231固定在盒体23上；
[0117]
所述盒体23一侧设有温度传感器安装座251与第一超声波探头安装座211，用于安装温度传感器25与第一超声波探头21；
[0118]
如图6c所示，所述第一超声波探头21和第一超声波探头安装座211通过钩型悬臂卡扣结构可拆卸连接，所述第二超声波探头22与第二超声波探头安装座221以及所述温度传感器25与温度传感器安装座251的配合关系与之类同。
[0119]
在具体实施例中，所述第一超声波探头21、第二超声波探头22和温度传感器25设置在盒体23的内部，所述第一超声波探头21、第二超声波探头22和温度传感器25靠近箱体11的一端设有隔热层26，通过隔热层26间接接触箱体11；
[0120]
在本实施例中，如图6a所示，所述隔热层26塞入对应的第一超声波探头安装座211、第二超声波探头安装座221和温度传感器安装座251，如图6c所示，塞入后的隔热层26探出盒体23外表面，监测人员通过隔热层26探出的部分将其抽出，便于更换；
[0121]
第一超声波探头21、第二超声波探头22和温度传感器25通过相同的隔热层26接触箱体11，温度传感器25通过感应与温度传感器25对应的隔热层26的温度，从而监测与第一超声波探头21和第二超声波探头22相对应的隔热层26的温度，进而监测第一超声波探头21和第二超声波探头22的工作温度，以方便外界及时获知第一超声波探头21和第二超声波探头22工作温度并加以干涉，避免第一超声波探头21、第二超声波探头22因工作温度过高以致损坏，使得超声波液位检测装置2能够安全稳定的运行。
[0122]
在具体实施例中，所述箱体11—隔热层26—(第一超声波探头21/第二超声波探头
22/温度传感器25)之间均涂覆有耦合剂。
[0123]
在具体实施例中，所述隔热层26至少耐温500℃，在本实施例中，所述隔热层26为云母垫片。
[0124]
在具体实施例中，如图4和图5所示，所述超声波液位检测装置2还包括检修挡板27，所述检修挡板27与盒体23通过螺纹紧固件可拆卸连接，所述检修挡板27设置在盒体23未安装第一超声波探头21和显示面板24的两个侧面上，对应的侧面上设有开口，监测人员可在拆卸检修挡板27后，通过开口对液位探测箱1内部进行检修。
[0125]
在具体实施例中，如图2所示，所述液位探测箱1还包括冲洗管14和排污管15；
[0126]
所述冲洗管14设置在箱体11顶部，所述排污管15设置在箱体11底部，在本实施例中，所述箱体11底部为漏斗状，使得箱体11清理更加方便，进而减小由于箱体11底部沉淀物所引起的液位测量误差。
[0127]
在具体实施例中，所述箱体11设有用于放置超声波液位检测装置2的凹槽，所述凹槽上设有滑槽16，如图3所示，所述超声波液位检测装置2上设有与滑槽16对应的滑轨28，所述超声波液位检测装置2与箱体11滑动连接，使得超声波液位检测装置2的更换和检修更加方便。
[0128]
在具体实施例中，所述上连通管12、下连通管13、冲洗管14和排污管15上均设有不锈钢球阀，所述箱体11为不锈钢材质的筒状容器；
[0129]
在本实施例中，冲洗管14和排污管15均为材质为不锈钢材质的单头丝管，单头丝管的无螺纹端与箱体11通过焊接连接，另一端与球阀通过螺纹连接；
[0130]
上连通管12由不锈钢材质的单头丝管、球阀和单盘法兰金属软管组成，单头丝管的无螺纹端与箱体11通过焊接连接，另一端与球阀通过外丝/内丝接口连接，单盘法兰金属软管一端通过外丝/内丝接口与球阀连接，单盘法兰金属软管另一端的法兰与待测容器a上部检修口法兰端相连接；
[0131]
下连通管12由不锈钢材质的单头丝管、球阀和单盘法兰直管组成，单头丝管的无螺纹端与箱体11通过焊接连接，另一端与球阀通过外丝/内丝接口连接，单盘法兰直管一端通过外丝/内丝接口与球阀连接，单盘法兰直管另一端的法兰与待测容器a下部检修口法兰端相连接；
[0132]
下连通管12的单头丝管内壁顶部与箱体11的凹槽上表面处于同一高度；
[0133]
液位探测箱1与待测容器a通过法兰连接，不需要对待测容器a的进行额外改造，使得液位探测箱1安装与拆卸更方便，单盘法兰金属软管使得液位探测箱1能够连通上部检修口与下部检修口间距不同的待测容器a。
[0134]
在具体实施例中，本监测系统的液位高度量程为0-1500mm(液位高度量程的0刻度与超声波液位检测装置2顶部平齐)，设备许可工作温度为0-350℃，超声波液位检测装置2的输入电压为dc24v/ac220v，输出形式为4-20ma叠加hart。
[0135]
本发明还包括一种基于超声波的实时液位监测系统的方法，流程示意图如图15至图16e所示，包含以下步骤：
[0136]
s1：设备自检，首次使用时需通过控制键盘205或客户端软件设置界面上进行初始化设置，输入液位监测所需参数，温度模块检测第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的工作温度t，若工作温度t在允许范围内，则开始液位监测，若工作温度t超过允许
范围，则采取隔热措施(滑动取出超声波液位检测装置2以更换隔热层26，通过增加隔热层26的厚度/更换材质提高隔热性能)，直至工作温度t在允许范围内再进行液位检测；
[0137]
s2：第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块同时发射探测信号，每次发射的时间间隔为δt，为方便说明，本实施例将δt设为0.01s，每次发射探测信号的序号为i，δt为0.01s时，为100，并同步开始各自计时；
[0138]
若第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块均能接收到回波信号，则当第二收发一体超声模块接收到可测量气液分界面处回波信号时该所属计时结束，当第一收发一体超声模块接收到箱体11内侧壁面处的回波信号时该所属计时结束；
[0139]
若第一收发一体超声模块和/或第二收发一体超声模块未能接收到回波信号，则标记当次采样序号i且赋予hi一个极大值(在本实施例中，液位高度量程为0-1500mm，赋予hi的极大值为9999.99mm)；
[0140]
s3：通过自相关函数r
xx
(τ)分别计算第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块所发射的探测信号与接收的回波信号的时间差t1和t2；
[0141]
通过上述探测信号与回波信号的时间差t1、t2以及第一收发一体超声模块与内侧壁面的距离l，计算求得箱体11内第i次采样的液位高度hi，计算公式为：
[0142][0143]
通过上述液位高度hi，计算求得箱体11内100次采样的平均液位高度h，计算公式为：
[0144][0145]
通过上述平均液位高度h以及所述下连通管13(内壁顶部)与待测容器底部的高度差δh，计算求得待测容器内第j秒的液位高度hj，j＝1、2......，计算公式为：
[0146]hj
＝δh+h
[0147]
通过上述液位高度hj，计算求得待测容器内液位高度升降速率v，计算公式为：
[0148]
v＝h
j+1-hj[0149]
s4：客户端软件界面/数据显示模块上显示温度信息和液位信息，同时报警模块根据用户自定义的报警阈值发出声光报警，会出现如下四种情况：
[0150]
情况1：显示液位信息，无声光报警
[0151]
①
工作温度t小于等于用户自定义的设备工作温度报警阈值；
[0152]
②
待测容器内每秒的液位高度hj均小于用户自定义的液位高度报警阈值和预警阈值；
[0153]
③
待测容器内液位高度升降速率v≥0且小于用户自定义的液位高度上升速率报警阈值；
[0154]
④
待测容器内液位高度升降速率v《0且小于用户自定义的液位高度下降速率报警阈值；
[0155]
情况2：显示液位信息，有闪烁灯光报警和不连续声音报警(预警)
[0156]
①
待测容器内每秒的液位高度hj小于用户自定义的液位高度报警阈值且大于液位高度预警阈值；
[0157]
情况3：显示fail字样，有常亮灯光报警和连续声音报警(报警)
[0158]
①
任意一个收发一体超声模块未能接收到回波信号；
[0159]
②
待测容器内液位高度升降速率v＜＜0(主要由箱体11内的气泡或悬浮物等所致)；
[0160]
情况4：显示液位信息，有常亮灯光报警和连续声音报警(报警)
[0161]
①
待测容器内每秒的液位高度hj大于用户自定义的液位高度报警阈值；
[0162]
②
待测容器内液位高度升降速率v≥0且大于用户自定义的液位高度上升速率报警阈值；
[0163]
③
待测容器内液位高度升降速率v《0且大于用户自定义的液位高度下降速率报警阈值。
[0164]
s5：客户端软件根据工作温度t、平均液位高度h、液位高度升降速率v(液位高度上升速率为v
上升
，液位高度下降速率为v
下降
)形成与时间相关曲线图和相应的报警日志，客户端软件根据用户需求生成特定时间段内液位信息的日报告、周报告、月报告、季度报告和年报告。
[0165]
采用本发明公开的一种基于超声波的实时液位监测系统的监测方法，其第一收发一体超声模块接发信号，主控模块通过接发信号的时间差计算得到当前温度和介质下的音速，主控模块通过计算得到的音速和第二收发一体超声模块接发信号的时间差计算出液位信息，每秒内多次接发信号测量计算出当前液位信息，实时性和精度更高，计算所需参数均为已知量或现场测量所得，无需额外计算，使得液位计算方法更简便、对待测液体的温度及种类限制更小、适用范围更广泛、液位测量精确度更高；
[0166]
小部分偏差过大的液位高度数据或未接收到回波信号的情况会被自动标记并报警，使得对液位探测箱1内的液体状态评估更加准确，进而可以减小由于气泡或悬浮物所引起的液位测量误差，使得液位测量的精确度更高。
[0167]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，包括：液位探测箱(1)和超声波液位检测装置(2)；所述液位探测箱(1)包括箱体(11)、上连通管(12)和下连通管(13)，所述箱体(11)上部通过上连通管(12)与待测容器的上部连通，所述箱体(11)下部通过下连通管(13)与待测容器的下部连通；所述超声波液位检测装置(2)设置在箱体(11)底部外侧壁上，所述超声波液位检测装置(2)包括能够进行数据交互的主控模块和功能模块，所述功能模块包括第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块；所述箱体(11)内高于超声波液位检测装置(2)顶部的气液分界面为可测量气液分界面；所述第一收发一体超声模块能够向箱体(11)处于可测量气液分界面下方的内侧壁发射探测信号并接收所发射的探测信号生成的回波信号；所述第二收发一体超声模块能够向可测量气液分界面发射探测信号并接收所发射的探测信号生成的回波信号；所述主控模块能够根据第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的回波信号计算出液位信息。2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，还包括终端设备，所述终端设备搭载客户端软件，所述客户端软件能够将液位信息和温度信息生成图表并显示；所述功能模块还包括温度模块，所述温度模块能够检测第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的温度信息。3.根据权利要求2所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，所述功能模块还包括报警模块，所述报警模块能够根据预设的液位报警阈值和温度报警阈值，在液位/温度超限时进行声光报警。4.根据权利要求3所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，所述功能模块还包括数据远传模块、数据显示模块、按键控制模块和电源模块；所述数据远传模块能够将液位信息和温度信息传递至客户端软件；所述数据显示模块能够显示液位信息和温度信息；所述按键控制模块能够输入液位监测的初始参数。5.根据权利要求3所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，所述第一收发一体超声模块为第一超声波探头(21)，所述第二收发一体超声模块为第二超声波探头(22)，所述数据显示模块为显示面板(24)，所述温度模块为温度传感器(25)；所述超声波液位检测装置(2)还包括矩形体状的盒体(23)，所述第二超声波探头(22)固定在盒体(23)顶面，所述第一超声波探头(21)和显示面板(24)分别安装在盒体(23)两个相对的侧面上；所述温度传感器(25)与第一超声波探头(21)安装在盒体(23)的同一侧面上。6.根据权利要求5所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，所述第一超声波探头(21)、第二超声波探头(22)和温度传感器(25)靠近箱体(11)的一端设有隔热层(26)。
7.根据权利要求5所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，所述超声波液位检测装置(2)还包括检修挡板(27)，所述检修挡板(27)与盒体(23)可拆卸连接，所述检修挡板(27)设置在盒体(23)未安装第一超声波探头(21)和显示面板(24)的两个侧面上。8.根据权利要求1所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，所述液位探测箱(1)还包括冲洗管(14)和排污管(15)；所述冲洗管(14)设置在箱体(11)顶部，所述排污管(15)设置在箱体(11)底部。9.根据权利要求1所述的一种基于超声波的实时液位监测系统，其特征在于，所述箱体(11)设有用于放置超声波液位检测装置(2)的凹槽，所述凹槽上设有滑槽，所述超声波液位检测装置(2)上设有与滑槽对应的滑轨，所述超声波液位检测装置(2)与箱体(11)滑动连接。10.使用权利要求3-7任一项所述的基于超声波的实时液位监测系统的监测方法，其特征在于，包含以下步骤：s1：设备自检，温度模块检测第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块的工作温度t，若工作温度t在允许范围内，则开始液位监测，若工作温度t超过允许范围，则采取隔热措施，直至工作温度t在允许范围内；s2：第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块同时发射探测信号，每次发射的时间间隔为δt，每次发射探测信号的序号为i，并同步开始各自计时；若第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块均能接收到回波信号，则当第二收发一体超声模块接收到可测量气液分界面处回波信号时该所属计时结束，当第一收发一体超声模块接收到箱体(11)内侧壁面处的回波信号时该所属计时结束；若第一收发一体超声模块和/或第二收发一体超声模块未能接收到回波信号，则标记当次采样序号i且赋予h
i
一个极大值；s3：主控模块分别计算第一收发一体超声模块和第二收发一体超声模块所发射的探测信号与接收的回波信号的时间差t1和t2；通过上述探测信号与回波信号的时间差t1、t2以及第一收发一体超声模块与内侧壁面的距离l，计算求得箱体(11)内第i次采样的液位高度h
i
，计算公式为：通过上述液位高度h
i
，计算求得箱体(11)内次采样的平均液位高度h，计算公式为：通过上述平均液位高度h以及所述下连通管(13)与待测容器底部的高度差δh，计算求得待测容器内第j秒的液位高度h
j
，j＝1、2......，计算公式为：h
j
＝δh+h通过上述液位高度h
j
，计算求得待测容器内液位高度升降速率v，计算公式为：v＝h
j+1-h
j
s4：客户端软件界面上显示温度信息和液位信息，同时报警模块根据用户自定义的报警阈值发出声光报警；s5：客户端软件根据工作温度t、平均液位高度h、液位高度升降速率v形成与时间相关曲线图和相应的报警日志。

技术总结
本发明公开了一种基于超声波的实时液位监测系统及方法，包括：液位探测箱和超声波液位检测装置；液位探测箱包括箱体、上连通管和下连通管，箱体通过上连通管和下连通管与待测容器连通；超声波液位检测装置设置在箱体底部外侧壁上，包括能够进行数据交互的主控模块和功能模块，功能模块包括第一、第二收发一体超声模块；箱体内高于超声波液位检测装置顶部的气液分界面为可测量气液分界面；第一收发一体超声模块向箱体处于可测量气液分界面下方的内侧壁发射信号并接收回波信号；第二收发一体超声模块向可测量气液分界面发射信号并接收回波信号；主控模块根据第一、第二收发一体超声模块的回波信号计算出液位信息。确保了超声波液位测量的精确性。波液位测量的精确性。波液位测量的精确性。


技术研发人员：鲁建华 李明哲 宫文强 文永昊 董定厚
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/21