[发明专利]基于固定频段声波共振频率的液位测量方法

摘要

本发明涉及基于固定频段声波共振频率的液位测量方法。现有的测量方法测量精度不够、测距范围小。本发明方法是将导声管竖直插入待测液面以下，扬声器和麦克风并排安装在导声管一端内，扬声器发出的声波经导声管垂直于液面传播，传至液面后发生反射，形成的回波由麦克风采集，并转化为时域波形，采用快速傅里叶变换将时域波形信号变换到时-频域中的频谱，采用快速频率检测方法获取频谱中的共振频率点，利用相邻共振频率的等差关系及基于共振频率的液位换算公式得到多个液位测量值，将它们取平均后作为最终的液位值。本发明方法易于实现且响应速度快，整个系统硬件成本低廉，可广泛应用于液罐的液位测量。

主权项

1.基于固定频段声波共振频率的液位测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1).将导声管竖直插入待测液面以下，扬声器和麦克风并排安装在导声管一端内，导声管的另一端没入液面以下，扬声器和麦克风所在水平面到液面的距离为待测液面高度L；步骤(2).在时间段Δt内，通过DSP控制器的语音芯片输出频段D＝[a，b]Hz内的一组线性扫频正弦信号，并将该信号传给与语音芯片连接的扬声器；该扬声器发出的声波经导声管垂直于液面传播，传至液面后发生反射，形成的回波由麦克风采集，并输入所述的语音芯片；在待测液面高度L范围内，[a，b]的选择需要保证a＞＞20Hz且b-a＞3f₀，f₀为初始共振频率，即频段D内至少出现3个共振频率；步骤(3).该语音芯片把所采集得的声音信号转化为时域波形送给DSP控制器；步骤(4).该DSP控制器采用快速傅里叶变换将步骤(3)中的时域波形信号变换到时一频域中的频谱；步骤(5).采用快速频率检测方法获取步骤(4)频谱中的M个共振频率点；具体步骤如下：(5.1)进行一次平滑处理：设置宽度为ΔHz的窗口，该宽度Δ小于两个相邻共振频率差的2倍，从aHz至bHz滑动窗口，依次找到每个非重叠窗口中频率幅值最大的点，记为P(f₁，y₁)，P(f₂，y₂)，…，P()，共有N₁个，其中横坐标f表示频率，纵坐标y表示幅值；(5.2)进行二次平滑处理：对于点列{P(f_i，y_i)，i＝1，2，…，N₁}，从i＝1到i＝N₁-2，依次判断相邻3点P(f_i，y_i)，P(f_i+1，y_i+1)，P(f_i+2，y_i+2)之间，若存在y_i＞y_i+1且y_i+2＞y_i+1，则令f_i+1＝0，y_i+1＝0，只保留点P(f_i，y_i)和P(f_i+2，y_i+2)，最终得到单调变化的频率点列{P(f_j，y_j)，j＝1，2，…，N₂}，且N₂＜N₁；(5.3)提取峰值：采用逐点比较的方法，从步骤(5.2)得的点列{P(f_j，y_j)，j＝1，2，…，N₂}中，提取共振频率点列{f(k)，k＝1，2，…，M}，其中M为在频段D内获得的共振频率个数；步骤(6).利用相邻共振频率的等差关系及基于共振频率的液位换算公式得到多个液位测量值，将它们取平均后作为最终的液位值，其步骤依次如下：(6.1)给出基于固定频段D内共振频率的液位换算公式为L′＝n(k)c/2f(k)  k＝1，2…，M其中c≈331.45+0.61T为声速，它和液位测量环境的温度T有关；共振频率f(k)是初始共振频率f₀的n(k)倍，n(k)为整数，记为n(k)＝f(k)/f₀；(6.2)根据步骤(5.3)所得点列{f(k)，k＝1，2，…，M}，通过f(k)和f(k+1)之间的等差关系可以得到n(k)＝f(k)/(f(k+1)-f(k)) k＝1，2，…，M-1因为f(k+1)-f(k)＝f₀，令n(k)的估算值为n(k)‾=f(k)/(Σk=1M-1(f(k+1)-f(k))/(M-1))]]>分母为相邻共振频率之差的均值，该值更接近真实的f₀，从而减少了不确定性的影响，并可以保证k＝1，2…，M-1，其中‖·‖表示取整数位；(6.3)根据步骤(5.3)所得共振频率点列{f(k)，k＝1，2，…，M}和步骤(6.2)中所得得到共M-1个液位计算值L_kLk=||n(k)‾||c/2f(k)+ΔL(f(k))k=1,2...,M-1]]>其中，ΔL(f(k))是补偿项；(6.4)将步骤(6.3)所得L_k取平均，得到液面高度L。L=(Σk=1M-1Lk)/(M-1)]]>