一種基于低功耗單片機(jī)的超聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種基于低功耗單片機(jī)的聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)，其包括低功耗液位記錄手持PDA，低功耗液位記錄手持PDA可用于采集一個(gè)與其對應(yīng)的配對的低功耗液位記錄儀的歷史液位數(shù)據(jù)，或一個(gè)低功耗液位記錄手持PDA對應(yīng)于至少一個(gè)能與其配對的低功耗液位記錄儀的歷史液位數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種基于低功耗單片機(jī)的超聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波液位跟蹤，特別涉及一種可用于汽車車載的基于低功耗單片機(jī)的超聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著嵌入式微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，油量液位測量儀表從早期采用浮球等機(jī)械原理逐步向機(jī)電一體化發(fā)展。國內(nèi)外液位測量儀表發(fā)展的技術(shù)動向主要有以下三個(gè)熱點(diǎn):
[0003]1、智能化；
[0004]2、非接觸測量方式的液位計(jì)；
[0005]3、新原理的小型液位開關(guān)；
[0006]在非接觸測量方式的液位計(jì)中，有很多基于不同測量原理的液位計(jì):雷達(dá)液位計(jì)、激光液位計(jì)、Y射線液位儀、超聲波液位計(jì)等。其中，超聲波液位計(jì)是目前發(fā)展最為快速的一種技術(shù)，在技術(shù)、成本、精度、安裝等方面具有綜合優(yōu)勢。超聲波測距技術(shù)基于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及遇到被測液位表面產(chǎn)生反射的原理，超聲換能器發(fā)射超聲波脈沖信號到接收到回波所需的時(shí)間，就表示了介質(zhì)與超聲換能器之間的距離。
[0007]國內(nèi)外液位測量儀表在早期大多采用機(jī)械原理，隨著嵌入式微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，液位測量儀表已從采用浮球等機(jī)械原理逐步向機(jī)電一體化發(fā)展，當(dāng)前國外液位測量技術(shù)的主要發(fā)展特點(diǎn)為:
[0008]1、適應(yīng)國際市場需要，占領(lǐng)【技術(shù)領(lǐng)域】制高點(diǎn)；
[0009]2、生產(chǎn)與市場緊密聯(lián)系；
[0010]3、高度產(chǎn)品質(zhì)量意識，生產(chǎn)高度自動化；
[0011]4、產(chǎn)供銷網(wǎng)絡(luò)化，全方位技術(shù)服務(wù)；
[0012]德國Endress+Hauser (恩德斯豪斯,簡稱E+H公司)是世界范圍內(nèi)自動化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一，E+H公司總部位于瑞士，先后在德國、瑞士、法國、美國、日本、中國等世界工業(yè)國成立了規(guī)模龐大的生產(chǎn)中心，在全球有超過六萬名員工進(jìn)行研究、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和維護(hù)等工作，擁有70多個(gè)獨(dú)立的子公司分布在全球，E+H公司嚴(yán)格的品質(zhì)管理和完整的質(zhì)保體系均達(dá)到IS09001國際標(biāo)準(zhǔn)。其投建生產(chǎn)的表面貼焊自動化生產(chǎn)線是全世界速度最快的，速度為其他公司的3倍。
[0013]荷蘭Honeywell (霍尼韋爾)公司的DCS測量系統(tǒng)測量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展性能好、協(xié)議靈活，被廣泛應(yīng)用于全世界各罐區(qū)。在該公司的智能雷達(dá)液位計(jì)性能測試中，在18米長的測量通道上，雷達(dá)探測頭與激光探測頭自動每隔一毫米正反測量一次，保證了測量的高精度。
[0014]我國在液位測量【技術(shù)領(lǐng)域】與國外相比還有非常大的差距。國內(nèi)計(jì)量儀表的生產(chǎn)和發(fā)展主要采用引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，仿制國外先進(jìn)產(chǎn)品，合資代理等方式，缺乏擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。國內(nèi)在計(jì)量儀表領(lǐng)域普遍存在著產(chǎn)品性能指標(biāo)低、儀表可靠性能差、企業(yè)科研技術(shù)實(shí)力薄弱、企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備落后、不重視產(chǎn)品售后服務(wù)等問題。近年來，由于我國在精確計(jì)量儀表領(lǐng)域的不斷努力，已出現(xiàn)了某些高新技術(shù)液位計(jì)產(chǎn)品達(dá)到甚至超過國際先進(jìn)水平，但在市場認(rèn)可度，市場占有率等方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與國外相比。
[0015]北京均友欣業(yè)科技有限公司研究開發(fā)的BJLM-80伺服式液位計(jì)技術(shù)新穎，功能齊全，可同時(shí)測量液位，不同液體分界面、單點(diǎn)溫度、平均溫度、分段密度、平均密度、分段壓力等。該系統(tǒng)測量精度高，對液位的測量精度為±lmm、分界面的精度為±2mm、溫度精度±0.2°C、密度精度±0.5kg/m3。該產(chǎn)品性能可靠，使用簡便，打破了國外產(chǎn)品在該領(lǐng)域的壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。
[0016]中科院光學(xué)研究所與武漢大學(xué)均研制成功了基于光纖的液位檢測系統(tǒng)。北京航天智控工程公司研制的UBG光導(dǎo)電子液位儀，其精度可達(dá)±2mm ;MET_I型磁效應(yīng)液位儀精度為0.05%。1995年推出的BL30雷達(dá)液位計(jì)精度為土 [1+空高X3%。] [I]。這些產(chǎn)品的相繼研發(fā)成功大大推動了我國液位檢測技術(shù)的發(fā)展，為趕超國際先進(jìn)技術(shù)做出了貢獻(xiàn)。
[0017]國內(nèi)外超聲波測距技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀:超聲波測距是利用超聲波反射原理檢測常壓或低壓容器內(nèi)液體液位或固體料位的非接觸式物位測量方式，可廣泛應(yīng)用于化工、電力、冶金、輕工、水處理等工業(yè)或民用部門的各種液體或固體物位測量，并可以對明渠、堰體中的流量進(jìn)行測量。超聲波液位計(jì)是非接觸式液位計(jì)中發(fā)展最快的一種，國內(nèi)外對超聲波測距儀研究，主要在大量程測距、高精確度測距以及測距智能化，網(wǎng)絡(luò)化等幾個(gè)方向。智能化的超聲波液位計(jì)通常帶有一套功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)對其所發(fā)射出的探測超聲波波及回波進(jìn)行分析。
[0018]澳大利亞HAWK公司推出的基于HPAWK技術(shù)SULTAN系列高能聲波非接觸物位計(jì)技術(shù)使超聲波測距技術(shù)有了重大的突破，該系列產(chǎn)品克服了聲波傳播過程中發(fā)生衰減的影響，優(yōu)化了對復(fù)雜多樣回波的識別技術(shù)，大大拓寬了超聲波測距技術(shù)的應(yīng)用場合，使超聲波測距可適用于生產(chǎn)罐、粉塵干擾較多、物料較大的多種惡劣工作環(huán)境。HPAWK技術(shù)具有優(yōu)秀的回波處理技術(shù)，5至50KHZ的超高發(fā)波頻率使其最大量程可達(dá)到120米；適用介質(zhì)溫度為-20°C至+175°C;智能的全自動調(diào)節(jié)發(fā)波頻率，自動的溫差補(bǔ)償功能使其工作更加穩(wěn)定可靠。SULTAN系列產(chǎn)品使用智能調(diào)節(jié)技術(shù)，提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標(biāo)。該系列產(chǎn)品在5KHz和120米(理想環(huán)境下可達(dá)195米)的測距技術(shù)上將對手遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。目前，SULTAN高能聲波物位計(jì)已經(jīng)在全國電廠近800套原煤倉上投入使用，運(yùn)行情況良好。
[0019]國產(chǎn)同類型的超聲波測距儀由于難以突破較低頻率(5kHz)和發(fā)射高能量波的技術(shù)瓶頸，普遍發(fā)波能量較弱，一般應(yīng)用于測量較小距離的簡單場合，不能在粉塵干擾大，工作環(huán)境惡劣的情況下長期保持良好的工作狀態(tài)。就市場角度而言，一般企業(yè)出于成本控制方面的考慮不會大量采用價(jià)格昂貴的尖端測距儀，在國內(nèi)市場占主導(dǎo)地位的還是價(jià)格便宜，采用成熟技術(shù)的高性價(jià)比普通測距儀。國內(nèi)測距計(jì)量儀表生產(chǎn)廠家需要在市場拓展與技術(shù)提升上穩(wěn)打穩(wěn)扎，逐步趕超世界先進(jìn)技術(shù)，提高企業(yè)競爭力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明主要介紹了一種基于低功耗單片機(jī)的超聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)的硬件發(fā)明與其工作方法，該基于低功耗單片機(jī)的超聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)的詳細(xì)發(fā)明與其性能指標(biāo)即本發(fā)明所主要闡述的內(nèi)容。
[0021]液位測量被廣泛的運(yùn)用于各類工業(yè)測量與控制場合中。例如在油氣儲運(yùn)過程中，精確測定儲油罐中的液位高度是正確計(jì)算儲油量、確定庫存、計(jì)算輸量、保證安全的重要措施，若油罐液位測量控制不好，會出現(xiàn)溢油“冒頂”或抽空等事故，若油氣分離器液位偏高或偏低會出現(xiàn)“跑油”、“竄氣”事故，嚴(yán)重影響設(shè)備與生產(chǎn)的安全。在油氣生產(chǎn)中，特別是在油氣集輸儲運(yùn)系統(tǒng)中，石油、天然氣與伴生污水要在各種生產(chǎn)設(shè)備和罐器中分離、存儲與處理，物位的測量與控制對保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全是至關(guān)重要的，否則會產(chǎn)生重大的事故。
[0022]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字信號處理(DSP)等信號處理技術(shù)、可編程邏輯控制(PLC)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，液位測量技術(shù)與液位測量儀表的得到了長足的發(fā)展，以適應(yīng)越來越高的應(yīng)用要求。將微處理器引進(jìn)液位測量系統(tǒng)是液位測量技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)重要里程碑，微處理器的應(yīng)用使得液位計(jì)的精度達(dá)到前所未有的高度。目前，國內(nèi)外液位測量儀表發(fā)展的技術(shù)動向主要有以下三個(gè)特點(diǎn):1、智能化；2、非接觸測量方式的液位計(jì)；3、新原理的小型液位開關(guān)。特別是基于新原理的液位測量技術(shù)在近幾年發(fā)展迅猛，在已廣泛運(yùn)用的液位測量技術(shù)中，浮球法以及在其后出現(xiàn)的超聲波測量法得到了最為廣泛的運(yùn)用。
[0023]就測量環(huán)境而言，液位測量系統(tǒng)通常被運(yùn)用在條件十分惡劣與復(fù)雜的環(huán)境中，液位計(jì)的安裝環(huán)境通常具備例如高溫、高壓、低溫、低壓、真空、高濕度、強(qiáng)腐蝕、高輻射、多粉塵中的一項(xiàng)甚至多項(xiàng)條件，這對液位計(jì)的工作適應(yīng)能力提出了嚴(yán)格的要求；就安裝條件而言，復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境對液位計(jì)的安裝具有苛刻的限制，如何將精密復(fù)雜的液位計(jì)簡單方便的安裝也對液位計(jì)的發(fā)明提出了要求；從設(shè)備維護(hù)及器件更換而言，越長的免維護(hù)時(shí)間以及如何在高危條件下更方便的更換器件，甚至不停機(jī)更換器件，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。
[0024]液位測量技術(shù)按接觸方式分類可分為接觸測量和非接觸測量，按測量方式可以分為連續(xù)測量和定點(diǎn)測量，按測量原理可分為:
[0025]1、基于人工測量方法:玻璃管法、玻璃板法、雙色水位法、人工檢尺法；
[0026]2、基于液體壓力差:吹氣法、差壓法、HTG法；
[0027]3、基于浮力原理:浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；
[0028]4、基于液位傳感器電參數(shù)產(chǎn)生變化:電容法、電阻法、電感法；
[0029]5、基于通過檢測信號傳播的時(shí)間:磁致伸縮法、超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法;
[0030]6、其它:磁翻板法、振動法、核輻射法、光纖傳感器法等多種類型。
[0031]本發(fā)明所發(fā)明的液位跟蹤儀的檢測機(jī)構(gòu)安裝于特制的汽車油箱蓋內(nèi)，采用非接觸測量方式，要求油量檢測機(jī)構(gòu)測量精確、體積小、功耗低、可靠性強(qiáng)。由于檢測機(jī)構(gòu)工作于汽車油箱內(nèi)部，需要承受汽車油箱內(nèi)高溫、高壓、低溫、高濕度、強(qiáng)腐蝕等不同的惡劣環(huán)境，檢測機(jī)構(gòu)在極端條件下也需要保持良好的工作狀態(tài)。通過對以下表I至表3的查閱，排除接觸式測量方式，本發(fā)明決定采用超聲波作為液位測量方式。
[0032]表I液面，界面測量儀表選型表
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗液位記錄儀，其被安裝于被測物體上方，一個(gè)低功耗液位記錄手持PDA對應(yīng)于與其配對的一個(gè)低功耗液位記錄儀，或一個(gè)低功耗液位記錄手持PDA對應(yīng)于至少一個(gè)能與其配對的低功耗液位記錄儀，其特征在于，低功耗液位記錄儀包括: 最小系統(tǒng)，所述最小系統(tǒng)至少包括電源電路，晶振電路，復(fù)位電路，所述最小系統(tǒng)用于使得低功耗單片機(jī)可以至少被提供電能，振蕩以及復(fù)位信號；以及 聲波模塊，所述聲波模塊分為發(fā)射器和接收器兩部分，用于發(fā)射以及接收聲波信號，以用于提供給低功耗單片機(jī)；以及 紅外模塊，用于低功耗液位記錄儀與低功耗液位記錄手持PDA之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，紅外模塊也可采用公知的任何一種數(shù)據(jù)傳輸手段替代，例如藍(lán)牙，無線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)；以及 溫度補(bǔ)償模塊，由于溫 度，聲波傳輸速度及傳輸介質(zhì)三者之間存在不可分割的緊密聯(lián)系，低功耗液位記錄儀中包括溫度補(bǔ)償模塊，用于對測距進(jìn)行校正；以及 時(shí)鐘模塊，用于提供時(shí)鐘信號；以及 存儲模塊，用于存儲低功耗液位記錄儀監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并存儲；以及 按鍵模塊，用于對功耗液位記錄儀進(jìn)行控制。其中 一個(gè)低功耗液位記錄手持PDA可以對一個(gè)或多個(gè)低功耗液位記錄儀所記錄的信息進(jìn)行采集與存儲。
2.如權(quán)利要求1所述的一種低功耗液位記錄儀，其特征在于，基于低功耗單片機(jī)的聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)中的電力電子器件優(yōu)先選用基于憶阻器的器件，其中，存儲模塊采用基于憶阻器的存儲器。
3.如權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的一種低功耗液位記錄儀，其特征在于，每一個(gè)低功耗液位記錄儀與每一個(gè)低功耗液位記錄手持PDA均具有不同的數(shù)據(jù)編碼，該編碼用于使得低功耗液位記錄儀與低功耗液位記錄手持PDA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),低功耗液位記錄手持PDA可以判斷與其連接的低功耗液位記錄儀為哪一臺，或?yàn)槭裁淳幋a，以使得每一個(gè)低功耗液位記錄儀可以被判斷識別，不被混淆。
4.如權(quán)利要求1任一項(xiàng)所述的一種低功耗液位記錄儀，其特征在于，低功耗液位記錄儀或低功耗液位記錄手持PDA上可以人工設(shè)定聲波傳輸?shù)慕橘|(zhì)，在未進(jìn)行人工設(shè)置時(shí)，介質(zhì)默認(rèn)為油氣混合體。
5.一種基于低功耗單片機(jī)的聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)，其包括低功耗液位記錄手持PDA，低功耗液位記錄手持PDA可用于采集一個(gè)與其對應(yīng)配對的低功耗液位記錄儀的歷史液位數(shù)據(jù)，或一個(gè)低功耗液位記錄手持PDA對應(yīng)于至少一個(gè)能與其配對的低功耗液位記錄儀的歷史液位數(shù)據(jù)，低功耗液位記錄手持PDA可以采用與低功耗液位記錄儀不同型號的低功耗單片機(jī)為處理核心，其特征在于，低功耗液位記錄手持PDA還具有最小系統(tǒng)，所述最小系統(tǒng)至少包括電源電路，晶振電路，復(fù)位電路，所述最小系統(tǒng)用于使得低功耗單片機(jī)可以至少被提供電能，振蕩以及復(fù)位信號，低功耗液位記錄手持PDA所采用的電源電路，晶振電路，復(fù)位電路可以與低功耗液位記錄儀中的電源電路，晶振電路，復(fù)位電路不同；以及 紅外模塊，用于低功耗液位記錄手持PDA與低功耗液位記錄儀之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；以及 按鍵控制模塊，用于對低功耗液位記錄手持PDA進(jìn)行控制，控制其與低功耗液位記錄儀的鏈接及數(shù)據(jù)傳輸，也可用于低功耗液位記錄手持PDA與上位機(jī)進(jìn)行連接與數(shù)據(jù)傳輸；以及 本地液晶顯示模塊，用于顯示低功耗液位記錄手持PDA的工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息，以及其與低功耗液位記錄儀，或上位機(jī)之間的連接關(guān)系與信息數(shù)據(jù)；以及 SD卡接口模塊，用于存儲來自于至少一個(gè)低功耗液位記錄儀的數(shù)據(jù)信息，并存儲經(jīng)低功耗單片機(jī)數(shù)據(jù)處理與校正后的校正值；以及 RS232通信模塊，用于低功耗液位記錄手持PDA與上位機(jī)的通信連接；以及紅外模塊負(fù)責(zé)與低功耗液位記錄儀通信，接收低功耗液位記錄儀存儲的液位數(shù)據(jù)，同時(shí)可對低功耗液位記錄儀的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；SD卡接口模塊將通過紅外接收到的數(shù)據(jù)存儲到本地SD卡，電腦可通過RS232接口對紅外抄表儀進(jìn)行配置。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于低功耗單片機(jī)的聲波液位跟蹤儀系統(tǒng),其特征在于，低功耗液位記錄儀與低功耗液位記錄手持PDA中的電力電子器件優(yōu)先選用基于憶阻器的器件，其中，存儲模塊采用基于憶阻器的存儲器。
7.如權(quán)利要求5任一項(xiàng)所述的一種基于低功耗單片機(jī)的聲波液位跟蹤儀系統(tǒng)，其特征在于，每一個(gè)低功耗液位記錄儀與每一個(gè)低功耗液位記錄手持PDA均具有不同的數(shù)據(jù)編碼，該編碼用于使得低功耗液位記錄儀與低功耗液位記錄手持PDA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，低功耗液位記錄手持PDA可以判斷與其連接的低功耗液位記錄儀為哪一臺，或?yàn)槭裁淳幋a，以使得每一個(gè)低功耗液位記錄儀可以被判斷識別，不被混淆。
8.如權(quán)利要求5-6任一項(xiàng)所述的一種基于低功耗單片機(jī)的聲波液位跟蹤儀系統(tǒng),其特征在于，低功耗液位記錄儀或低功耗液位記錄手持PDA上可以人工設(shè)定聲波傳輸?shù)慕橘|(zhì)，在未進(jìn)行人工設(shè)置時(shí)，介質(zhì)默認(rèn)為油氣混合體；以及，低功耗液位記錄手持PDA的電源電路可以被冗余設(shè)置，即可以通過電池與外接電源進(jìn)行供電，在兩個(gè)電源均有輸入時(shí)，外接電源比電池具有更高的優(yōu)先級。
9.一種用于液位跟蹤的方法，其特征在于，液位跟蹤方法包括理論計(jì)算與實(shí)際校正計(jì)算兩部分，其中， 理論計(jì)算公式為: hi = tX ((331+TX0.6)/2)(1-1) 實(shí)際校正計(jì)算公式為: h = hl-hl/50-hl/15 (hi < 50) h = hl-hl/25-hl/15 (hi ≤ 50) (1-2) 液量計(jì)算: V = (H-h) XLXff(1-3) 其中: h1:理論計(jì)算值(mm)； t:時(shí)間(S)； T:溫度(V )； h:校正值(mm)； L:液箱長度(mm)； W:液箱寬度(mm)；V:液箱體積(_3)。
10.如權(quán)利要求9所述的一種用于液位跟蹤的方法，其特征在于，在計(jì)算液位理論值，液位實(shí)際校正值，液量值，或任何涉及數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，若發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，死機(jī)等導(dǎo)致液位跟蹤失常的情況時(shí)，結(jié)束進(jìn)程，并自動重`啟進(jìn)程。
【文檔編號】G01F23/296GK103697968SQ201310611842
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】曾偉彬, 潘劍良, 駱佳巍, 毛利強(qiáng), 包宇航, 葉俊威, 朱操超, 毛斌奇, 傅欣晨, 施梟, 高琦, 潘英杰, 潘家杰, 費(fèi)帆, 許越, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:蘇州克蘭茲電子科技有限公司