恒流气泡水位测量系统及方法技术方案

本申请公开了一种恒流气泡水位测量系统及方法，包括恒流气泡水位组件，超声波对比校正组件，独立与恒流气泡水位组件及超声波对比校正组件相连的控制组件，当中，控制组件用于获取超声波对比校正组件及恒流气泡水位组件提供的数据，并根据所得数据处理得到水位值。通过以上公开内容，可以利用超声波测距实现对带有温度补偿的恒流气泡水位计进行数据校正，提高检测精度。在实际应用中，可以抗温度环境、流涌等多种因素以及自身恒压输出变化的影响。流涌等多种因素以及自身恒压输出变化的影响。流涌等多种因素以及自身恒压输出变化的影响。

【技术实现步骤摘要】
恒流气泡水位测量系统及方法


[0001]本公开涉及液位测量领域，具体地说是一种精度高的恒流气泡水位系统方法，该水位系统采用新型结构并使用超声波液位组件进行综合补偿并利用测量方法可识别浪涌并达到精确测量。

技术介绍

[0002]水位测量在许多领域都具有重要意义，如水库管理、河流监测、城市排水系统等。为了保证准确的水位测量，目前已经存在多种不同类型的水位计，其中两种较为常见的方法是恒流气泡水位计和超声波水位计。
[0003]恒流气泡水位计：通过向液体中注入恒定流量的气体产生气泡，利用产生气泡时刻的压力值与大气压之间的差值来计算液体深度。该方法具有较高的精度和稳定性，但对于气室内压力控制要求较高，此外恒流气泡水位计还会遇到堵塞、温度变化以及浪涌等因素干扰。
[0004]超声波水位计：通过发射超声波并接收其在液面上反射回来的信号，根据时间差来计算液体深度。该方法安装简便且不受液体性质影响，但可能受环境噪声、温度变化等因素干扰。
[0005]综上可知，现有的水位测量当中抗干扰性有待提高。针对现有技术中恒流气泡水位计与超声波水位计各自存在的局限性和问题，本申请提出了一种结合两者优势的水位测量技术方案。该方案通过以下几点改进来提高恒流气泡水位计的准确性：引入PID控制器，对恒压输出系统进行调整，实现对气室内压力的精确控制。将气室内压力误差纳入到恒流气泡水位计算法中，以消除由于压力波动引起的水深偏差。结合超声波水位测量数据进行校正，进一步提高恒流气泡水位计算法的准确性。当超声波测量数据与恒流气泡计算结果存在较大偏差时，可以通过调整PID控制器参数来优化恒压输出系统。
[0006]通过上述改进后的技术方案，本公开可以在保持恒流气泡水位计较高精度和稳定性的基础上，充分利用超声波水位测量数据进行校正和优化。这将有助于在不同工况下实现更为准确、可靠的水位测量，并为涉及水资源管理、环境监测等领域提供更加有效的技术支持。

技术实现思路

[0007]本公开的主要目的在于提供一种精度更高且抗环境干扰性更强的恒流气泡水位测量系统及方法，该恒流气泡水位测量系统在具备自清洁功能的同时，还利用超声波实现精度更高且更可靠的数据输出。
[0008]第一方面，为实现上述目的之一，本申请公开了一种恒流气泡水位测量系统，包括恒流气泡水位组件、超声波对比校正组件、与恒流气泡水位组件及超声波对比校正组件分别相连的控制组件，控制组件用于获取超声波对比校正组件及恒流气泡水位组件提供的数据，并根据所得数据处理得到水位值。
[0009]所述恒流气泡水位组件为实现其水位测量功能，包括产生高压空气的气泵、与气泵单向连接的高压气罐、与高压气罐相连的气室、用于调节高压气罐向气室的供气量的电控阀、通过气管与气室相连并伸入被测液位内的探头以及与从气管伸出的支路气管相连的气压传感器；所述气室具备一输出端，该输出端上安装有恒流阀，气管与恒流阀相接，使气管间接与气室的相连配合；
[0010]所述高压气罐及所述气室内各设有一个与控制组件相连的气压传感器，控制组件通过上述气压传感器值进行计算有判断，实现电控阀及气泵工作的控制，更好的保证气室的气压稳定；
[0011]所述恒流气泡水位组件内具备一个用于测量环境气压的环境气压传感器；
[0012]所述恒流气泡水位组件内具备至少一个位于气室内的气体温度传感器以及至少一个位于液面以下的液体温度传感器，气体温度传感器及液体温度传感器均与控制组件实现相连，分别向控制组件提供液体温度以及气体温度。
[0013]所述超声波对比校正组件包括超声波发生器以及回声接收器，超声波发生器及回声接收器均与控制组件实质相连，控制组件获取超声波发生器的声波发生时间与回声接收时间差实现以超声波对比校正组件的基准位进行计算得到液位；超声波对比校正组件中包括有一个环境气温传感器，该环境气温传感器与控制组件实质相连，向控制组件发送环境气温；
[0014]所述控制组件内包括有用于处理各项数据的微控制器、电磁阀驱动模块、电机驱动模块、数据存储模块以及用于实现远程数据传输的无线通信模块；其中，电磁阀驱动模块用于驱动电控阀工作，电机驱动模块用于驱动气泵工作，数据存储模块用于存储数据，无线通信模块用于发送数据至远程服务器中；微控制器内集成有以程序形式存在的PID控制器。
[0015]所述超声波对比校正组件固定安装在液面以上，并位于探头上方，并与其有1—3米的水平位差，通过定时检测数据实现恒流气泡水位组件的检测校正。
[0016]当中，气泵的进气口可替换地安装有气体预处理模块，所述模块将进气空气进行过滤、干燥。
[0017]在一些实施例中，为实现探头的自清洁，探头包括与气管相连的基座、与基座固定连接的带孔外罩、位于带孔外罩内并与基座间通过柔性连接的出气内芯，中空的出气内芯通过预设在基座内的通道与气管实质相接；所述出气内芯与带孔外罩间距1—3mm，出气内芯上开设有至少一个用于气管内气体排出的排气口；所述出气内芯的内部设有一个密封的安装仓，该安装仓内安装有一个实现高频振动磁悬浮电机，该磁悬浮电机带动出气内芯完成1.6万
‑
1.8万次/分钟的高频振动，在带孔外罩与出气内芯间形成高频的冲击波，进而形成超声波清洁；通过控制磁悬浮电机间隔性的工作，实现自动清洁，防止堵塞。
[0018]在一些实施例中，液体温度传感器被固定在带孔外罩上。
[0019]第二方面，为实现本申请的目的之一，本申请公开了一种恒流气泡水位测量系统的恒压输出控制方法，包括以下步骤：
[0020]S1：测量，测量气罐内的实际气罐压力P_tank和气室内的气室压力P_chamber；
[0021]S2：控制气泵工作，若P_tank低于预设的最低阈值，则启动气泵补充气体、若P_tank高于预设的最高阈值，则关闭气泵；
[0022]S3：计算P_chamber与目标压力P_target之间的当前误差值e_current，e_current
＝P_target
‑
P_chamber；
[0023]S4：使用PID控制器计算阀门开度调整值Δvalve，Δvalve＝K_p
×
(e_current
‑
e_last)+K_i
×
e_sum+K_d
×
(e_current
‑2×
e_last+e_before_last)，第一次执行的初始状态下，上一次误差值e_last＝0、误差累积值e_sum＝0；
[0024]S5：更新阀门开度valve_opening，valve_opening＝valve+Δvalve，valve为现有开度值，valve_opening小于0时，将valve_opening直接设为0，valve_opening大于100时，将valve_opening直接设为100；
[0025]S6：控制电磁阀驱动模块，根据新的阀门开度调整电控可调阀；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种恒流气泡水位测量系统，其特征在于：包括恒流气泡水位组件、超声波对比校正组件、与恒流气泡水位组件及超声波对比校正组件分别相连的控制组件，所述恒流气泡水位组件具有产生高压空气的气泵、与气泵单向连接的高压气罐、与高压气罐相连的气室、用于调节高压气罐向气室的供气量的电控阀、通过气管与气室相连并伸入被测液位内的探头以及与气管伸出的支路气管相连的气压传感器；所述气室具备一输出端，该输出端上安装有恒流阀，气管与恒流阀相接；所述高压气罐及所述气室内各设有一个与控制组件相连的气压传感器，控制组件通过上述气压传感器值进行计算有判断，实现电控阀及气泵工作的控制，更好地保证气室的气压稳定；所述恒流气泡水位组件内具备一个用于测量环境气压的环境气压传感器；所述恒流气泡水位组件内具备至少一个位于气室内的气体温度传感器以及至少一个位于液面以下的液体温度传感器，气体温度传感器及液体温度传感器均与控制组件实现相连，分别向控制组件提供液体温度以及气体温度；所述超声波对比校正组件包括超声波发生器以及回声接收器，超声波发生器及回声接收器均与控制组件实质相连，控制组件获取超声波发生器的声波发生时间与回声接收时间差实现以超声波对比校正组件的基准位进行计算得到液位；超声波对比校正组件中包括有一个环境气温传感器，该环境气温传感器与控制组件实质相连，向控制组件发送环境气温；所述控制组件内包括有用于处理各项数据的微控制器、用于驱动电控阀工作的电磁阀驱动模块、用于驱动气泵工作的电机驱动模块、用于存储数据的数据存储模块以及用于实现远程数据传输的无线通信模块；无线通信模块用于发送数据至远程服务器中；微控制器内集成有以程序形式存在的PID控制器；所述超声波对比校正组件固定安装在液面以上，位于探头上方，并与其有1—3米的水平位差，通过定时检测数据实现恒流气泡水位组件的检测校正。2.如权利要求1中所述的恒流气泡水位测量系统，其特征在于：气泵的进气口可替换地安装有气体预处理模块，所述模块将进气空气进行过滤、干燥。3.如权利要求1中所述的恒流气泡水位测量系统，其特征在于：探头包括与气管相连的基座、与基座固定连接的带孔外罩、位于外罩内并与基座间通过柔性连接的出气内芯，中空的出气内芯通过预设在基座内的通道与气管实质相接；所述出气内芯与带孔外罩间距1—3mm，出气内芯上开设有至少一个用于气管内气体排出的排气口；所述出气内芯的内部设有一个密封的安装仓，该安装仓内安装有一个实现高频振动磁悬浮电机，该磁悬浮电机带动内芯完成1.6万
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1.8万次/分钟的高频振动，在外罩与内芯间形成高频的冲击波，进而形成超声波清洁；通过控制磁悬浮电机间隔性的工作，实现自动清洁，防止堵塞。4.如权利要求1至3中任一项所述的恒流气泡水位测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取大气压力P0、气体压力P、气室内测量到的气体温度T_gas1、环境气体温度T_gas2、液体温度T_liquid、参考温度T_ref、在参考温度下测得的参考液体密度ρ_liquid_ref、参考温度下超声波在气体中的传播速度v_ref、超声波对比校正组件与水位间的距离D_ultrasound、超声波传感器距离被测液体底部的高度H_sensor以及探头距离液体底部的高度H；步骤2：计算实际液体密度ρ_liquid及实际气体密度ρ_gas，ρ_liquid＝ρ_liquid_ref
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【专利技术属性】
技术研发人员：张新强，张普，王志强，龚华斌，周静，邹轶乐，李俊杰，
申请(专利权)人：湖北亿立能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：