專利名稱：基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)，涉及基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法。
背景技術(shù)：
基于聲波反射原理的液位測量方法在許多工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，其 中的超聲波測量方法是最常用的方法之一。但是，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，被測液體表面常常 會(huì)出現(xiàn)泡沫、殘?jiān)统练e物等異物。當(dāng)超聲波遇到這些障礙物時(shí)，易發(fā)生寄生反射現(xiàn)象，改 變傳播路徑，從而嚴(yán)重影響測量效果，大大降低超聲波的測量精度。而低頻聲波波長較長，遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，即聲波可以繞開障礙物繼續(xù)傳 播，避免了寄生反身寸° Denis Donlagic 在文獻(xiàn)《The Use of One-DimensionalAcoustical Gas Resonator for Fluid Level Measurements》IEEE Transact ions on Instrumentationand Measurement中，基于低頻聲波的共振原理，從初始共振頻率(記為 f0)換算出液位高度。但是，該方法的最大量程取決于&，而該頻率的最小值受揚(yáng)聲器原理、 類型、聲源體積和質(zhì)量等因素的限制，一般僅為20Hz。由于量程越長，其對應(yīng)的初始共振頻 率越小，若在標(biāo)準(zhǔn)聲速下進(jìn)行測量，與最小初始共振頻率fo = 20Hz對應(yīng)的最大量程也只有 8.28m。并且，這也對麥克風(fēng)的靈敏度提出了較高的要求，而一般麥克風(fēng)可以感應(yīng)到的最低 音頻為20Hz左右，這些因素都極大的限制了該方法在長距離測量中的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于固定頻段聲波共振頻率的 液位測量方法。本發(fā)明方法采用快速頻率檢測方法獲取固定頻段內(nèi)由聲波反射產(chǎn)生的一組共振 頻率；利用相鄰共振頻率的等差關(guān)系及基于共振頻率的液位換算公式得到多個(gè)液位測量 值，將它們?nèi)∑骄笞鳛樽罱K的液位值，具體包括以下步驟步驟(1).將導(dǎo)聲管豎直插入待測液面以下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)并排安裝在導(dǎo)聲管 一端內(nèi)，導(dǎo)聲管的另一端沒入液面以下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)所在水平面到液面的距離為待測 液面高度L。步驟(2).在時(shí)間段At內(nèi)，通過DSP控制器的語音芯片輸出頻段D = [a,b]Hz內(nèi) 的一組線性掃頻正弦信號(hào)，并將該信號(hào)傳給與語音芯片連接的揚(yáng)聲器。該揚(yáng)聲器發(fā)出的聲 波經(jīng)導(dǎo)聲管垂直于液面?zhèn)鞑ィ瑐髦烈好婧蟀l(fā)生反射，形成的回波由麥克風(fēng)采集，并輸入所述 的語音芯片。在待測液面高度L范圍內(nèi)，[a，b]的選擇需要保證a》20Hz且b_a > 3f。，亦即頻 段D內(nèi)至少出現(xiàn)3個(gè)共振頻率，以此確定a、b的取值，f0為初始共振頻率。例如，當(dāng)L最小 取值為0. 6m時(shí)，可選取D= [1000，2500]Hz，這樣可以保證該頻段的回波中出現(xiàn)的共振頻率 個(gè)數(shù)M = 5，L越長在該頻段內(nèi)出現(xiàn)的共振頻率越多。步驟(3).該語音芯片把所采集得的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)域波形送給DSP控制器。
步驟(4).該DSP控制器采用快速傅里葉變換(FFT)將步驟(3)中的時(shí)域波形信 號(hào)變換到時(shí)-頻域中的頻譜。步驟(5).采用快速頻率檢測方法獲取步驟(4)頻譜中的M個(gè)共振頻率點(diǎn)。其步驟如下步驟(5. 1)進(jìn)行一次平滑處理在該頻譜圖中，各個(gè)共振頻率點(diǎn)的幅值都是局部 極大值。由于頻譜曲線并不滿足單增(減)的理想趨勢，無法直接通過逐點(diǎn)比較幅值的方 法找到各個(gè)共振頻率點(diǎn)。所以，設(shè)置寬度為AHz的窗口，該寬度△小于兩個(gè)相鄰共振頻率 差的2倍，以免平滑掉待選的共振頻率點(diǎn)。從aHz至bHz滑動(dòng)窗口，依次找到每個(gè)非重疊窗
口中頻率幅值最大的點(diǎn)，記為P(fn Yl)，p(f2，y2),. . .，PC、, JV,)，共有&個(gè)，其中橫坐標(biāo)f
表示頻率，縱坐標(biāo)y表示幅值。步驟(5. 2)進(jìn)行二次平滑處理在經(jīng)步驟(5. 1)獲取的頻譜圖中，有些共振頻率附 近的頻譜曲線還不滿足單增(減)的趨勢，無法提取幅值極大點(diǎn)及其對應(yīng)的共振頻率。所 以，對于點(diǎn)列{P(f\，yi)，i = 1，2，. . .，NJ，從i = 1到i = Nr2，依次判斷相鄰3點(diǎn)P(fi， Yi)，p (fi+1，yi+1)，p (fi+2，yi+2)之間，若存在 Yi > yi+1 且 yi+2 > yi+1，則令 fi+1 = 0，yi+1 = 0， 只保留點(diǎn)P^pyi)和P(fi+2，yi+2)，最終得到單調(diào)變化的頻率點(diǎn)列{P(fj，yj)，j = 1,2,..., N2}，且 N2 < N10步驟(5. 3)提取峰值采用逐點(diǎn)比較的方法，從步驟(5. 2)得的點(diǎn)列{P(fj，yj)，j =1,2, ... ,NJ中，提取共振頻率點(diǎn)列{f(k)，k= 1，2，...，M}，其中M為在頻段D內(nèi)獲得 的共振頻率個(gè)數(shù)。步驟(6).利用相鄰共振頻率的等差關(guān)系及基于共振頻率的液位換算公式得到多 個(gè)液位測量值，將它們?nèi)∑骄笞鳛樽罱K的液位值。其步驟依次如下步驟(6. 1)給出基于固定頻段D內(nèi)共振頻率的液位換算公式為L' = n(k)c/2f (k)k = 1,2. . . , M (1)其中c ^ 331. 45+0. 61T為聲速，它和液位測量環(huán)境的溫度T有關(guān)。共振頻率f (k) 是初始共振頻率fo的n(k)倍，n(k)為整數(shù)，記為n(k) = f (k)/f0。步驟(6. 2)求取步驟(6. 1)式(1)中的n(k)。根據(jù)步驟(5. 3)所得點(diǎn)列{f(k)， k= 1，2，...，11}，通過€(10和f(k+l)之間的等差關(guān)系可以得到n(k) = f (k)/(f (k+l)-f (k))k = 1,2, ，M-l (2)實(shí)際測量中，受實(shí)際觀測環(huán)境中諸多不確定性因素的影響，用式(2)計(jì)算出的 n(k)會(huì)含有小數(shù)位，若將其帶入步驟(6. 1)中式⑴計(jì)算，這種“非整數(shù)誤差”會(huì)進(jìn)一步傳 遞，引起更大的計(jì)算誤差。因?yàn)閒(k+l)_f(k) =4，令n(k)的估算值_為
分母為相鄰共振頻率之差的均值，該值更接近真實(shí)的&，從而減少了不確定性的
影響，并可以保證
，其中|| ||表示取整數(shù)位。步驟(6. 3)根據(jù)步驟(5. 3)所得共振頻率點(diǎn)列{f (k)，k = 1，2，. . .，M}和步驟 (6. 2)中所得;^，得到共M-1個(gè)液位計(jì)算值Lk
(4)其中，AL(f(k))是補(bǔ)償項(xiàng)。這是因?yàn)?，?shí)際中當(dāng)Lk較大時(shí)，對于波長較長的聲波 來說，在液面反射時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的相位偏移，Lk越長需要補(bǔ)償?shù)脑蕉?。步驟(6. 4)將步驟(6. 3)所得Lk取平均，得到液面高度L。 該方法中所述DSP控制器采用可以進(jìn)行傅立葉變換運(yùn)算能力的DSP芯片即 可，例如北京瑞泰創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ICETEK-VC5509-A開發(fā)板上的主處 理芯片TMS320VC5509-A;所述語音芯片只要能夠完成聲波的發(fā)送和采集即可，例如 ICETEK-VC5509-A開發(fā)板上自帶的TLV320AIC23語音芯片。上述方法的關(guān)鍵技術(shù)在于將現(xiàn)有技術(shù)中對初始共振頻率的檢測變?yōu)閷^高頻段 內(nèi)出現(xiàn)的一組共振頻率的檢測，從而降低了對麥克風(fēng)及揚(yáng)聲器的性能要求，并且增大了液 位測量的量程。利用相鄰共振頻率的等差關(guān)系及基于共振頻率的液位換算公式得到多個(gè)測 量，將它們?nèi)∑骄笞鳛樽罱K液位值，從而有效地降低現(xiàn)有技術(shù)只用初始共振頻率f0計(jì)算 液位值時(shí)存在的測量不確定性，增加了液位測量精度。此外，整個(gè)系統(tǒng)硬件成本低廉，易于 實(shí)現(xiàn)且響應(yīng)速度快，可廣泛應(yīng)用于液罐的液位測量。利用本發(fā)明方法可以將已有方法的量程從8m提高到10m以上，并且其測量精度可 以達(dá)到1%。，優(yōu)于市面上大多數(shù)超聲波液位儀給出的3%。 5%。的測量精度以及J. Donlagic 所提方法中給出的3%。的測量精度；并且發(fā)射聲波頻段的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20Hz，對麥克風(fēng)及 揚(yáng)聲器的性能要求低；同時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的聲共振測量系統(tǒng)的響應(yīng) 時(shí)間，硬件成本低廉且便于實(shí)現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于液罐的液位測量。
圖1.本發(fā)明方法的硬件結(jié)構(gòu)圖；圖2.本發(fā)明方法流程圖；圖3.麥克風(fēng)所采集信號(hào)的時(shí)域波形圖；圖4.與圖3時(shí)域波形圖對應(yīng)的頻譜圖；圖5.共振頻率快速檢測方法流程圖。具體實(shí)施步驟下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括DSP 控制器1、揚(yáng)聲器2、麥克風(fēng)3、溫度計(jì)4、導(dǎo)聲管5及通氣管6。其中DSP控制器選用的 是北京瑞泰創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ICETEK-VC5509-A開發(fā)板，所述語音芯片是 ICETEK-VC5509-A上的TLV320AIC 23。通過DSP控制器的語音芯片輸出頻段D = [a，b]Hz 內(nèi)的一組線性掃頻正弦信號(hào)。揚(yáng)聲器發(fā)出該聲波信號(hào)，經(jīng)導(dǎo)聲管傳至液面并發(fā)生反射，形成 的回波由麥克風(fēng)采集，并輸入所述的語音芯片，再轉(zhuǎn)換成該DSP控制器可以處理的時(shí)域音 頻數(shù)字信號(hào)。
基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法流程如圖2所示，核心部分為從回 波頻譜中檢測出各個(gè)共振頻率23，計(jì)算各共振頻率與初始共振頻率的比值24，由所測環(huán)境 溫度計(jì)算出聲速25，然后將23、24和25產(chǎn)生的結(jié)果帶入液位換算公式，根據(jù)各個(gè)共振頻率 換算出多個(gè)液位高度值26，將這些測量值取平均后得最終液位高度27，并顯示28，整個(gè)過 程在△ t秒循環(huán)汁算一次液位。下面根據(jù)該方法流程，并結(jié)合實(shí)際測量環(huán)境及液位測量實(shí)例，詳細(xì)介紹各個(gè)步驟。1、測試環(huán)境及參數(shù)設(shè)置實(shí)例設(shè)置硬件結(jié)構(gòu)圖1中的各個(gè)參數(shù)為總長度w = 10. 6m，最大液位高度h_ = 10m, 死區(qū)長度dz = 0. 6m,導(dǎo)聲管(PVC管)直徑d = 0. 07m,掃頻頻段D = [1000Hz, 2500Hz]， 在該頻段內(nèi)可以保證L彡0.6m時(shí)出現(xiàn)至少5個(gè)共振頻率用于計(jì)算液位。在At = 5s的時(shí) 間內(nèi)，從1000Hz到2500Hz進(jìn)行線性掃頻(采樣頻率44100Hz)，由于聲音信號(hào)在空氣中傳 播的時(shí)間延遲，從錄音開始到采集到有效信號(hào)有一定的時(shí)間差，因此在對時(shí)域波形圖進(jìn)行 FFT變換之后，截取頻段[1000Hz，2500Hz]內(nèi)的頻譜構(gòu)成有效頻譜圖。圖3_3a，圖3_3b和 圖4-4a，圖4-4c中分別給出L = 0. 6m和L = 10. 6m時(shí)，回波的時(shí)域波形圖和頻譜圖。圖4 中的“FFT”標(biāo)線表示獲取的頻率點(diǎn)，共生成8916個(gè)頻率點(diǎn)。頻率分辨率為0. 1682Hz，這時(shí) 按本發(fā)明方法計(jì)算液位的分辨率為1. 7mm(對應(yīng)最大量程，且量程越短，分辨率越高)。2、從聲波頻譜中檢測出共振頻率該步驟的軟件流程圖如圖5所示，具體過程如下(1) 一次平滑。從圖4_4b (圖4_4a的局部放大圖)的頻譜可以看出，由各個(gè)頻率 幅值點(diǎn)構(gòu)成的曲線并不一定滿足單調(diào)性。為了找出共振頻率對應(yīng)的幅值極大點(diǎn)，需對頻譜 做平滑處理。設(shè)置寬度為A = 4Hz的窗口，從1000Hz到2500Hz滑動(dòng)窗口，依次找到每個(gè) 非重疊窗口中的最大幅值點(diǎn)，共有375個(gè)。如圖4中“平滑一”標(biāo)線所示。(2) 二次平滑。當(dāng)0. 6m < L < 1. 5m時(shí)，即使進(jìn)行了一次平滑，在有些共振頻率的 附近，頻譜曲線還會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值。這是因?yàn)長較小時(shí)，合成波幅值上升到極大點(diǎn)需要經(jīng)歷 較寬的頻段，由于觀測噪聲和麥克風(fēng)靈敏度不高等因素影響，在共振頻率周圍的頻譜曲線 變化復(fù)雜，不滿足單調(diào)增(減)的趨勢。例如，圖^仙中點(diǎn)？工^^》、？^^，。)、？“^^》 為一次平滑后的頻率點(diǎn)，但它們不滿足彡y2彡y3，而是有> y2，且y3 > y2，所以令f2 =0，y2 = 0，只保留Pi和P3，保證二次平滑后的頻譜曲線單調(diào)。(3)提取峰值。在二次平滑之后，就可以采用逐點(diǎn)比較的方法，從單增(減)的頻 譜圖中檢測出共振頻率?！耙淮纹交辈襟E中，平滑窗口的大小是由最大量程和逐點(diǎn)比較方 法決定的。例如，圖4-4c對應(yīng)最大量程L= 10. 6m時(shí)的頻譜圖，在D頻段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生91個(gè)共 振頻率，相鄰共振頻率的間隔為16.48Hz。為了正確檢測出每個(gè)共振頻率，相鄰共振頻率之 間必需存在至少一個(gè)二次平滑后的頻率點(diǎn)。從圖4-4d(圖4-4c的局部放大圖)的頻譜可以 看出，當(dāng)窗口長度A =4Hz時(shí)，相鄰兩個(gè)共振頻率之間至少有2個(gè)頻率點(diǎn)，從而保證算法的 順利實(shí)施。并且，常溫下可計(jì)算出L = 10. 6m時(shí)相鄰共振頻率之間的頻率差約為15. 5Hz 16. 8Hz，4Hz的窗口寬度足以滿足要求。3、計(jì)算各共振頻率與初始共振頻率的比值n(k)提取峰值之后，將L = 10. 6m時(shí)獲取的共振頻率記為{f (k)，k = 1，2，. . .，M}，M =373?？梢杂?jì)算出第k個(gè)共振頻率和初始共振頻率&之間的比值nk 4、根據(jù)各個(gè)共振頻率換算出液位高度由{f (k)，k = 1，2，. . .，M}和;^，及聲速c，可以得到M-1個(gè)液位計(jì)算值 原則上，可以通過相位偏移的原理從理論上計(jì)算出AL(f(k))，但是補(bǔ)償項(xiàng)的大 小還受到實(shí)際揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)聲管形狀和體積等因素的影響，難以精確計(jì)算。所以，最終 AL(f(k))的取值需要根據(jù)具體的試驗(yàn)環(huán)境確定。在本專利的實(shí)施例中，通過對測試數(shù)據(jù) 的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L> 1.5m時(shí)，相位偏移現(xiàn)象逐步顯現(xiàn)，確定當(dāng)1.5m彡L彡7m時(shí)，AL(f(k)) =0. 007m;7m< L彡10. 6m時(shí)，AL(f(k)) = 0. 013m。將由每個(gè)共振頻率換算出的液位高 度Lk取平均后，獲得最終計(jì)算出的液位高度L 在此實(shí)施例中，分別進(jìn)行了導(dǎo)聲管中無異物和存在異物情況下的測試。1)液面及導(dǎo)聲管內(nèi)無異物時(shí)的實(shí)施例測試數(shù)據(jù)在液面及導(dǎo)聲管內(nèi)無異物的正常情況下，表1中列舉出22組測試結(jié)果，遍及 0. 6m 10. 6m之間L的不同取值。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，當(dāng)L較大時(shí)，由于計(jì)算出的液位高 度來自多次測量的均值，一定程度上減小了觀測噪產(chǎn)帶來的不確定性，所以誤差并沒有隨 著L的增加而大幅增加。但是，當(dāng)L較小時(shí)，參與計(jì)算的共振頻率個(gè)數(shù)較少，加之觀測噪聲、 麥克風(fēng)靈敏度下降等因素影響，使得相對誤差反而較大。也可以通過增加死區(qū)dz長度的方 法來減少測距較短時(shí)的誤差。但是經(jīng)過對多次測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，所提方法的平均相對 誤差只有1%。，小于市面上大部分超聲波液位儀3%。 5%。(量程10m)的誤差標(biāo)準(zhǔn)，也小于 Denis Donlagic所提測量方法3%。(量程7m)的誤差標(biāo)準(zhǔn)。表1導(dǎo)聲管無異物時(shí)的測試數(shù)據(jù) 2)導(dǎo)聲管管壁存在異物時(shí)的實(shí)驗(yàn)這里通過一系列測試來評(píng)估管內(nèi)異物對測量的影響。將阻塞物(塑料泡沫塊)粘 在導(dǎo)聲管中的不同位置。設(shè)定L= 1.3m，阻塞物橫截面積(S)分別占整個(gè)導(dǎo)聲管橫截面積 (SO)的40%和20%，表2中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了阻塞物引起的觀測不確定性。由于低頻 聲波遇到障礙物時(shí)發(fā)生了衍射，從而阻塞物對合成波的頻譜特性沒有造成大的影響，當(dāng)阻 塞物位于導(dǎo)聲管中部時(shí)測量誤差最大。通過對L其他長度下不同阻塞物不同附著位置的測 量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在阻塞物面積S ^ 20% S0時(shí)，引起的最大相對誤差都不超過6%。，滿足一般液 罐液位測量的實(shí)際需求。表2導(dǎo)聲管存在異物時(shí)的測試數(shù)據(jù) 100mm6mm100mm3 mm 250mm15mm250mm5 mm 500mm21 mm500mm7mm
權(quán)利要求
基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟(1).將導(dǎo)聲管豎直插入待測液面以下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)并排安裝在導(dǎo)聲管一端內(nèi)，導(dǎo)聲管的另一端沒入液面以下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)所在水平面到液面的距離為待測液面高度L；步驟(2).在時(shí)間段Δt內(nèi)，通過DSP控制器的語音芯片輸出頻段D＝[a，b]Hz內(nèi)的一組線性掃頻正弦信號(hào)，并將該信號(hào)傳給與語音芯片連接的揚(yáng)聲器；該揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波經(jīng)導(dǎo)聲管垂直于液面?zhèn)鞑?，傳至液面后發(fā)生反射，形成的回波由麥克風(fēng)采集，并輸入所述的語音芯片；在待測液面高度L范圍內(nèi)，[a，b]的選擇需要保證a＞＞20Hz且b-a＞3f0，f0為初始共振頻率，即頻段D內(nèi)至少出現(xiàn)3個(gè)共振頻率；步驟(3).該語音芯片把所采集得的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)域波形送給DSP控制器；步驟(4).該DSP控制器采用快速傅里葉變換將步驟(3)中的時(shí)域波形信號(hào)變換到時(shí)一頻域中的頻譜；步驟(5).采用快速頻率檢測方法獲取步驟(4)頻譜中的M個(gè)共振頻率點(diǎn)；具體步驟如下(5.1)進(jìn)行一次平滑處理設(shè)置寬度為ΔHz的窗口，該寬度Δ小于兩個(gè)相鄰共振頻率差的2倍，從aHz至bHz滑動(dòng)窗口，依次找到每個(gè)非重疊窗口中頻率幅值最大的點(diǎn)，記為P(f1，y1)，P(f2，y2)，…，P()，共有N1個(gè)，其中橫坐標(biāo)f表示頻率，縱坐標(biāo)y表示幅值；(5.2)進(jìn)行二次平滑處理對于點(diǎn)列{P(fi，yi)，i＝1，2，…，N1}，從i＝1到i＝N1-2，依次判斷相鄰3點(diǎn)P(fi，yi)，P(fi+1，yi+1)，P(fi+2，yi+2)之間，若存在yi＞yi+1且yi+2＞yi+1，則令fi+1＝0，yi+1＝0，只保留點(diǎn)P(fi，yi)和P(fi+2，yi+2)，最終得到單調(diào)變化的頻率點(diǎn)列{P(fj，yj)，j＝1，2，…，N2}，且N2＜N1；(5.3)提取峰值采用逐點(diǎn)比較的方法，從步驟(5.2)得的點(diǎn)列{P(fj，yj)，j＝1，2，…，N2}中，提取共振頻率點(diǎn)列{f(k)，k＝1，2，…，M}，其中M為在頻段D內(nèi)獲得的共振頻率個(gè)數(shù)；步驟(6).利用相鄰共振頻率的等差關(guān)系及基于共振頻率的液位換算公式得到多個(gè)液位測量值，將它們?nèi)∑骄笞鳛樽罱K的液位值，其步驟依次如下(6.1)給出基于固定頻段D內(nèi)共振頻率的液位換算公式為L′＝n(k)c/2f(k) k＝1，2…，M其中c≈331.45+0.61T為聲速，它和液位測量環(huán)境的溫度T有關(guān)；共振頻率f(k)是初始共振頻率f0的n(k)倍，n(k)為整數(shù)，記為n(k)＝f(k)/f0；(6.2)根據(jù)步驟(5.3)所得點(diǎn)列{f(k)，k＝1，2，…，M}，通過f(k)和f(k+1)之間的等差關(guān)系可以得到n(k)＝f(k)/(f(k+1)-f(k)) k＝1，2，…，M-1因?yàn)閒(k+1)-f(k)＝f0，令n(k)的估算值為 <mrow><mover> <mrow><mi>n</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mrow><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>分母為相鄰共振頻率之差的均值，該值更接近真實(shí)的f0，從而減少了不確定性的影響，并可以保證k＝1，2…，M-1，其中‖·‖表示取整數(shù)位；(6.3)根據(jù)步驟(5.3)所得共振頻率點(diǎn)列{f(k)，k＝1，2，…，M}和步驟(6.2)中所得得到共M-1個(gè)液位計(jì)算值Lk <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mo>|</mo><mo>|</mo><mover> <mrow><mi>n</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mo>‾</mo></mover><mo>|</mo><mo>|</mo><mi>c</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>ΔL</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow>其中，ΔL(f(k))是補(bǔ)償項(xiàng)；(6.4)將步驟(6.3)所得Lk取平均，得到液面高度L。
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <msub><mi>L</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>FSA00000125546200011.tif,FSA00000125546200021.tif,FSA00000125546200023.tif,FSA00000125546200024.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及基于固定頻段聲波共振頻率的液位測量方法?，F(xiàn)有的測量方法測量精度不夠、測距范圍小。本發(fā)明方法是將導(dǎo)聲管豎直插入待測液面以下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)并排安裝在導(dǎo)聲管一端內(nèi)，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波經(jīng)導(dǎo)聲管垂直于液面?zhèn)鞑?，傳至液面后發(fā)生反射，形成的回波由麥克風(fēng)采集，并轉(zhuǎn)化為時(shí)域波形，采用快速傅里葉變換將時(shí)域波形信號(hào)變換到時(shí)-頻域中的頻譜，采用快速頻率檢測方法獲取頻譜中的共振頻率點(diǎn)，利用相鄰共振頻率的等差關(guān)系及基于共振頻率的液位換算公式得到多個(gè)液位測量值，將它們?nèi)∑骄笞鳛樽罱K的液位值。本發(fā)明方法易于實(shí)現(xiàn)且響應(yīng)速度快，整個(gè)系統(tǒng)硬件成本低廉，可廣泛應(yīng)用于液罐的液位測量。
文檔編號(hào)G01F23/296GK101852638SQ20101017620
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者吳開華, 夏丙鐸, 徐曉濱, 文成林 申請人:杭州電子科技大學(xué)