一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法、装置及系统与流程

本发明涉及液位测量，具体的说，是涉及一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法、装置及系统。

背景技术：

1、超声波液位测量技术因其非接触式测量、安装便捷、成本相对较低等优势，在工业储罐、化工容器、水处理等领域得到了广泛应用；传统的超声波液位计通常安装于罐体顶部，向液面发射超声波脉冲并接收回波，通过测量脉冲发射与回波接收之间的时间差来计算液位高度；然而，顶部安装方式在户外场景中面临安装维护困难、受天气环境影响较大等问题，且对于已投入使用的储罐，顶部安装往往需要对罐体进行开孔改造，施工成本高、风险大。

2、为解决上述问题，近年来出现了将超声波测量设备吸附于罐体底部进行测量的方案，然而，底部安装式超声波液位测量面临以下技术难题：超声波在罐壁与液体介质中传播时，由于介质界面（罐底-液体、液体-液面）的多次反射，接收端会捕获到多个回波信号，其中既有液面一次反射的有效回波，也有经多次反射后的干扰回波；如何从多个候选回波中准确识别并提取出代表液面真实反射的有效回波，是保证测量精度的关键。

3、现有技术中，往往采用固定门限或简单峰值检测方法，在回波信号幅度波动较大时容易误判，导致测量结果失准。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法、装置及系统。

2、本发明技术方案如下所述：

3、第一方面，本发明提供一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，用于通过吸附于罐体底部的超声波测量设备检测罐内液位高度，所述超声波测量设备包括设备壳体和设于所述设备壳体顶部的贴合顶面，所述贴合顶面为弧形凹面，与罐体底部的凸出弧形面贴合适配，所述贴合顶面的中心设有超声波探头；

4、包括以下步骤：

5、s1、通过所述超声波探头向罐内发射超声波测量脉冲，接收经液面反射的多个回波信号，记录各回波上升沿对应的定时器捕获时间戳；

6、s2、计算相邻回波上升沿之间的时间差，构造多个候选回波间隔，其中；

7、s3、根据所述候选回波间隔的数量，执行以下筛选策略之一：

8、当候选回波间隔数量小于或等于第一阈值时，判断前若干个候选回波间隔之间的偏差是否满足预设容差条件，若满足，则将满足容差条件的候选回波间隔作为有效回波间隔组；

9、当候选回波间隔数量大于第一阈值时，对各候选回波间隔进行接近性聚类统计，选取成员数量最多的聚类簇，将该聚类簇内的候选回波间隔作为有效回波间隔组；

10、对所述有效回波间隔组求平均，得到有效回波时间间隔δt；

11、s4、获取当前环境温度，基于温度补偿模型计算对应声速，根据所述有效回波时间间隔及补偿后的声速，计算罐内液位距离l。

12、优选地，所述第一阈值为2-4。

13、优选地，所述预设容差条件为：。

14、优选地，所述接近性聚类统计的允许误差为。

15、优选地，步骤s3之后还包括：基于所述有效回波间隔组的质量，生成回波质量等级标识，并通过蓝牙广播上报。

16、优选地，所述回波质量等级包括最好波、好波和差波三个等级；

17、所述最好波为近距离时三个周期均存在且与的偏差均不超过，或远距离时与的偏差不超过；

18、所述好波为近距离时聚类后落在允许误差窗口内的有效成员数不少于4，取聚类内成员平均值作为有效回波时间间隔；

19、所述差波为无足够有效峰、无合法、聚类支持不足或最终估计失败，不输出新的有效测量结果。

20、优选地，所述温度补偿模型为：，其中为环境温度，单位为摄氏度，为补偿后声速，单位为；为未校正的初始速度值；为介质常数；为参考温度。

21、第二方面，本发明提供一种超声波液位测量装置，包括：

22、壳体，所述壳体具有用于与罐体底部外壁贴合的贴合顶面；

23、超声波换能器，设置于所述壳体内，且所述超声波换能器的测量点位布置于所述贴合顶面的中心位置；

24、温度传感器，设置于所述壳体内或所述壳体上，用于采集当前环境温度；

25、处理器，与所述超声波换能器和所述温度传感器电性连接，用于执行所述方法，计算罐内液位高度。

26、优选地，所述罐体为圆柱状罐体，所述罐体的底部为向外凸出的弧形面，所述贴合顶面为与所述罐体底部的弧形面相适配的弧形凹面；所述壳体内侧安装有磁吸结构，用于将所述装置吸附固定于所述罐体底部。

27、第三方面，本发明提供一种超声波液位测量系统，包括：

28、所述第二方面所提供的超声波液位测量装置；以及

29、终端设备，与所述超声波液位测量装置通信连接。

30、优选地，所述超声波液位测量装置还包括无线通信模块，所述无线通信模块与所述处理器电性连接，用于将计算得到的液位高度和/或回波质量等级标识发送至所述终端设备。

31、优选地，所述无线通信模块为蓝牙模块，用于通过蓝牙广播上报所述液位高度和/或回波质量等级标识。

32、优选地，所述终端设备为智能手机、平板电脑或远程监控平台。

33、优选地，所述贴合顶面上设有耦合剂层，用于填充所述贴合顶面与所述罐体底部之间的间隙。

34、优选地，所述磁吸结构为磁性吸附结构。

35、优选地，所述壳体整体呈扁圆柱状，所述贴合顶面位于所述壳体的上表面。

36、根据上述方案的本发明，其有益效果在于：

37、本发明通过构造多个候选回波间隔并根据回波数量自适应选择筛选策略，在回波信号幅度波动较大时仍能准确识别有效回波；具体而言，当候选回波间隔数量较少时，通过预设容差条件判断前若干个候选回波间隔之间的偏差一致性，直接筛选出有效回波间隔组；当候选回波间隔数量较多时，通过接近性聚类统计选取成员数量最多的聚类簇作为有效回波间隔组；对有效回波间隔组求平均得到有效回波时间间隔，以此计算液位距离，使得测量结果不受单一回波幅度波动的影响，显著提高了在接触不良、杂波干扰等复杂工况下的测量鲁棒性和可靠性；本发明还结合了温度补偿模型对声速进行实时校正，进一步消除了环境温度变化对测量精度的影响，保证了液位计算结果的准确性。

1.一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，其特征在于，用于通过吸附于罐体底部的超声波测量设备检测罐内液位高度，所述超声波测量设备包括设备壳体和设于所述设备壳体顶部的贴合顶面，所述贴合顶面为弧形凹面，与罐体底部的凸出弧形面贴合适配，所述贴合顶面的中心设有超声波探头；

2.根据权利要求1所述的一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，其特征在于，所述第一阈值为2-4。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，其特征在于，所述预设容差条件为：。

4.根据权利要求3所述的一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，其特征在于，所述接近性聚类统计的允许误差为。

5.根据权利要求1所述的一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，其特征在于，步骤s3之后还包括：基于所述有效回波间隔组的质量，生成回波质量等级标识，并通过蓝牙广播上报。

6.根据权利要求5所述的一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，其特征在于，所述回波质量等级包括最好波、好波和差波三个等级；

7.根据权利要求1所述的一种基于回波一致性判定的超声波液位测量方法，其特征在于，，其中t为环境温度，单位为摄氏度，为补偿后声速，单位为m/s；为未校正的初始速度值；k为介质常数。

8.一种超声波液位测量装置，用于执行如权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的一种超声波液位测量装置，其特征在于，所述壳体内侧安装有磁吸结构，用于将所述装置吸附固定于所述罐体底部。

10.一种超声波液位测量系统，其特征在于，包括：