一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法，包括如下步骤：(1)获取实测信号；(2)获取液位表达式；(3)获取未知液位信号；(4)计算未知液位去相关系数；(5)液位估计。本发明专利技术与常用的接触式液位监测方法相比，减弱液体对采集装置的影响，提高使用寿命，降低维护成本，增加适用场景。与常用的非接触式液位监测方法相比，不需要安装在容器内部，且不需要移动采集设备，提高安装与拆卸效率，降低维护成本。并且凭借尾波对介质的高灵敏特性，最少只需单个传感器就能实现对微弱的液位变化的高精度监测。变化的高精度监测。变化的高精度监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法


[0001]本专利技术涉及的是一种液位检测方法，具体地说是非接触液位监测方法。

技术介绍

[0002]液位测量是指测量液面位置，对液体液位的精准测量是实现生产过程准确检测、实时控制的重要手段。传统的液位检测为接触式液位检测，所谓的接触式液位检测是指在检测过程中实验装置一部分或整体接触到液体，若液体具有腐蚀性或有毒性或高粘性，或要求试验过程卫生安全系数较高时，这种检测将不适宜。并且若设备在高温环境下人工操作难度极大，导致效率极低且监测结果精度也较低。因此，非接触液位检测被研究并广泛应用，它能够避免因为设备和液体接触导致设备故障问题，降低设备的维护成本，提高寿命周期。
[0003]超声波液位监测属于一种非接触液位检测方法，具有安全、价格较低、灵活性高、适用多种传声媒介等优点。但超声波液位检测装置一般都是安装在容器的内部，使得在复杂的容器环境下设备安装与维护不易。若试验过程需要满足封闭性或无菌环境，在更换设备或检查过程中必然会增加监测误差。在容器顶部或底部安装传感器，不安装于容器内部时，若处于含有蒸汽、粉层等吸波环境下，超声波传播的能量损耗大，此时检测距离将明显缩短，可能无法检测出液位变化。而在容器侧面安装传感器进行监测时，通常选择移动采集设备或使用多个传感器监测，整个过程使得检测效率低、检测范围小、设备成本高。超声尾波由于在介质内部多次采样，传播路径相较于直达波更长，对介质微弱变化十分敏感。尾波干涉法是一类利用尾波对介质物性敏感特性检测介质微小变化的方法，其中Stretching方法是一种高精度的信号处理方法，被广泛应用于地震和超声无损检测领域。凭借尾波对介质变化的高灵敏特性，可使用少量超声传感器在容器外部固定安装，实现持续监测液位，避免移动传感器造成的安装与拆卸不便以及测量误差，实现复杂环境下真正的非接触测量。
[0004]综上所述，现有的液位监测方法存在着安装不便、维护成本高、精度低等问题，无法满足高精度、低成本、高效的安全监测需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供可以实现非接触、高精度、低成本、直观高效的一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]本专利技术一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法，其特征是：
[0008](1)获取实测信号；
[0009](2)获取液位表达式；
[0010](3)获取未知液位信号；
[0011](4)计算未知液位去相关系数；
[0012](5)液位估计。
[0013]本专利技术还可以包括：
[0014]1、实测信号的获取过程为：在容器外部固定安装至少一个超声传感器，收发合置，发射超声信号，获取初始无液体状态下时域信号u0(t)和不同液位x下时域信号u
i
(t),i≥1。
[0015]2、液位表达式的获取过程为：基于信号能量和相位差设置时间窗口、网格范围和网格精度，再利用尾波干涉法在设定的参数范围内计算不同液位的去相关系数DC
i
，最后通过拟合去相关系数与液位，确定两者之间的函数关系：
[0016]a、设置参数：根据信号能量设置时间窗口起始位置t1和时间窗口长度t
len
，估计时域信号u0(t)和u
i
(t)在时间窗口中心位置t
center
处的相位差τ，再根据相位差τ与时间t
center
的比值设置网格范围ε
range
和网格精度ε
grid
；
[0017]b、计算去相关系数：在设置的时间窗口内基于尾波干涉法计算时域信号u0(t)和u
i
(t)间的互相关系数CC
i
，由1
‑
CC
i
计算去相关系数DC
i
；
[0018]c、确定函数表达式：拟合不同液位下的去相关系数DC
i
，根据R
‑
Square最大原则以及均方根RMSE最小原则确定最佳的函数关系式DC
i
＝F(x)，F表示DC
i
与x的映射关系。
[0019]3、未知液位信号的获取过程为：基于步骤(1)中设备获取任意未知液面高度的信号u
x
(t)。
[0020]4、步骤(4)未知液位去相关系数的计算，采用步骤(2)中同样的参数和处理方法计算未知液位信号u
x
(t)与初始无液体状态时域信号u0(t)间的去相关系数DC。
[0021]5、液位估计的过程为：将步骤(4)获得的DC代入到步骤(2)确定的函数表达式中求解出x，x即为需要估计的液位。
[0022]本专利技术的优势在于：
[0023]1、与常用的接触式液位监测方法相比，减弱液体对采集装置的影响，提高使用寿命，降低维护成本，增加适用场景。
[0024]2、与常用的非接触式液位监测方法相比，不需要安装在容器内部，且不需要移动采集设备，提高安装与拆卸效率，降低维护成本。并且凭借尾波对介质的高灵敏特性，最少只需单个传感器就能实现对微弱的液位变化的高精度监测。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的流程图；
[0026]图2为本专利技术的实验设备装置图；
[0027]图3为本专利技术的实测信号采集装置图；
[0028]图4为液位变化曲线图；
[0029]图5为去相关系数与液位关系图；
[0030]图6为初始状态与未知液位信号图。
具体实施方式
[0031]下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：
[0032]结合图1
‑
6，本专利技术一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法流程图具体步骤如下：
[0033]步骤1、实测信号获取，详细过程是：在容器外部固定安装单个或多个超声传感器，
收发合置，发射超声信号，如图2所示。在容器内部滴入或抽取液体达到设置的液位，由采集系统接收记录初始无液体状态下时域信号u0(t)以及不同液位x下时域信号u
i
(t),i≥1。需要注意的是单发单收时发射信号能量需要足够强，以满足波穿透容器，还能返回被接收到；
[0034]步骤2、液位表达式获取，详细过程包括：
[0035]2.1：参数设置。窗口的起始时间t1要足够靠后，以保证窗口内的信号发生多重散射(t1≥10t
*
)，t
*
表示传输平均自由时间。时间窗口长度t
len
需要足够长以包含足够多的信号(t
len
≥10t
*
)，但也不能太长，需保证信号的信噪比不低于40dB。网格范围ε
range
根据信号间相位差而定，在时间窗口内中心位置t
center
处人为估计两道信号间对应的时延τ，由时延τ除以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法，其特征是：(1)获取实测信号；(2)获取液位表达式；(3)获取未知液位信号；(4)计算未知液位去相关系数；(5)液位估计。2.根据权利要求1所述的一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法，其特征是：实测信号的获取过程为：在容器外部固定安装至少一个超声传感器，收发合置，发射超声信号，获取初始无液体状态下时域信号u0(t)和不同液位x下时域信号u
i
(t),i≥1。3.根据权利要求1所述的一种基于尾波干涉的非接触液位监测方法，其特征是：液位表达式的获取过程为：基于信号能量和相位差设置时间窗口、网格范围和网格精度，再利用尾波干涉法在设定的参数范围内计算不同液位的去相关系数DC
i
，最后通过拟合去相关系数与液位，确定两者之间的函数关系：a、设置参数：根据信号能量设置时间窗口起始位置t1和时间窗口长度t
len
，估计时域信号u0(t)和u
i
(t)在时间窗口中心位置t
center
处的相位差τ，再根据相位差τ与时间t
center
的比值设置网格范围ε
range
和网格精度ε
grid
；b、计算去相关系数：在设置的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇翔，金春燕，谢凡，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：