一种超声波物位计及超声波物位计控制系统的制作方法

1.本发明实施例涉及仪器仪表技术领域，尤其涉及一种超声波物位计及超声波物位计控制系统。


背景技术：

2.超声波物位计是工业现场常用的一次仪表，是工业控制系统中的一个基本单元，也是整个控制系统得以正常工作的基石。超声波物位计安装于容器上部，在电子单元的控制下，探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到重新接收的时间与探头至被测物体的距离成正比。电子单元检测该时间，并根据已知的声速计算出被测距离，达到测量物位的目的。
3.随着电子科学技术的不断发展，流程工业对超声波物位计的以太网传输有特殊要求，要求主干网的传输距离长达1000米，分支的传输距离也要200米，而且还有防爆和本安的特殊要求。传统4～20ma电流环技术和pa/ff等数字电流环技术具有抗干扰能力强、传输距离远、支持两线制供电等优点，但属于专用通信技术，需要通过网关接入以太网；普通10m/100m以太网技术能够实现从顶层到底层的一网到底、互联互通，但只能实现100米范围内的数据传输，且至少需要4根线，不符合工业现场常用的两线制供电习惯。


技术实现要素：

4.基于上述现有技术的缺陷，本发明提供一种超声波物位计及超声波物位计控制系统，以提高超声波物位计的工作效率。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种超声波物位计，包括：
6.传感器模块、处理器模块、二线制以太网通信模块和以太网接口；所述处理器模块分别与所述传感器模块和所述二线制以太网通信模块连接，所述以太网接口分别与所述二线制以太网通信模块以及以太网连接；
7.所述处理器模块用于根据所述以太网中传输的第一控制信号向所述传感器模块发出第二控制信号；所述传感器模块用于根据所述第二控制信号向待测物体发射超声波，并将所述待测物体反射的反射波信号发送至所述处理器模块；所述处理器模块用于根据所述反射波信号确定所述待测物体的测量信息，并将所述测量信息传输至所述以太网。
8.第二方面，本发明实施例还提供了一种超声波物位计控制系统，包括本发明任意实施例提供的超声波物位计，该控制系统还包括：
9.中层网络附件和上层控制设备；
10.所述中层网络附件分别与所述超声波物位计的所述以太网接口以及所述上层控制设备连接，所述中层网络附件用于将所述上层控制设备发出的第一控制信号传输至所述超声波物位计，并将所述超声波物位计的所述测量信息传输至所述上层控制设备。
11.本发明实施例中，在超声波物位计中设置传感器模块、处理器模块、二线制以太网通信模块和以太网接口，超声波物位计中的处理器模块通过二线制以太网通信模块与以太
网中的上层控制设备进行数据交互。通过设置二线制以太网通信模块，超声波物位计可以通过一对双绞线在以太网上实现高性能的全双工数据传输，并且可以实现远距离数据传输；另外，在测量过程中可以方便地将超声波物位计集成到现有的以太网环境中，无需附加网关和接口，安装快速方便，能够与任意it网络实现透明连接，有利于实现上层到底层之间的一网到底、互联互通，降低工业现场测量时设备搭建的复杂性，提高数据传输效率。
附图说明
12.图1为本发明实施例提供的一种超声波物位计的结构示意图；
13.图2为本发明实施例提供的一种超声波物位计的实体结构图；
14.图3为图2所示超声波物位计的正面结构示意图；
15.图4为图2所示超声波物位计的侧面结构示意图；
16.图5为本发明实施例提供的一种超声波物位计控制系统的结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
18.图1为本发明实施例提供的一种超声波物位计的结构示意图，该超声波物位计可用于工业测量，如图1所示，该超声波物位计包括：
19.传感器模块1、处理器模块2、二线制以太网通信模块3和以太网接口4；处理器模块2分别与传感器模块1和二线制以太网通信模块3连接，以太网接口4分别与二线制以太网通信模块3以及以太网连接；
20.处理器模块2用于根据以太网中传输的第一控制信号向传感器模块1发出第二控制信号；传感器模块1用于根据第二控制信号向待测物体发射超声波，并将经待测物体反射的反射波信号发送至处理器模块2；处理器模块2用于根据反射波信号确定待测物体的测量信息，并将测量信息传输至以太网。
21.参考图1，本发明实施例提供的超声波物位计，包括传感器模块1、处理器模块2、二线制以太网通信模块3和以太网接口4。其中，传感器模块1为超声波物位计中的测量执行结构；处理器模块2为超声波物位计中的主要控制结构；二线制以太网通信模块3为超声波物位计中的通信结构。
22.具体地，处理器模块2分别连接传感器模块1和二线制以太网通信模块3，二线制以太网通信模块3通过以太网接口4与以太网连接。在对待测物体位置进行测量时，以太网中的上层控制设备经二线制以太网通信模块3将第一控制信号发送至处理器模块2，处理器模块2接收到第一控制信号后，向传感器模块1发出第二控制信号，传感器模块1在接收到第二控制信号后，向待测物体发射超声波，超声波经过待测物体表面后会发生反射，传感器模块1会接收反射波并生成反射波信号，随后将反射波信号发送至处理器模块2。进一步地，在处理器模块2内根据反射波信号计算待测物体的测量信息，测量信息包括待检测物体的位置信息，并将测量信息经二线制以太网通信模块3传输至以太网，经由以太网反馈给上层控制设备，以实现数据交互。
23.可选的，处理器模块2还可接收以太网中传输的其他控制信号，当上层控制设备需要控制超声波物位计执行某些功能时，可向下层发送对应的控制信号，处理器模块2接收到控制信号后，执行相应功能。
24.其中，二线制以太网通信模块3基于先进物理层(apl)技术实现，apl是加固的、二线制、回路供电的以太网物理层，采用2019年发布的ieee 802.3cg协议10based-t1l，运用apl技术，可以把现场设备直接与以太网相连，取代或精简某些现场总线协议，无需复杂的网关解决方案，节省浪费在不同设备不同协议的转换上的成本，具备通用以太网架构下信息融合及处理能力，能够实现仪表和以太网之间的无障碍信息交换。基于apl技术构建二线制以太网通信模块3，可以通过一对双绞线在以太网上实现高性能的全双工数据传输，并且可以实现远距离数据传输；另外，基于apl构建二线制以太网通信模块3，也无需另外设置网关，实现了上层到底层之间的一网到底、互联互通，能够降低工业现场测量时设备搭建的复杂性，提高数据传输效率。
25.可选的，上述传感器模块1、处理器模块2、二线制以太网通信模块3和以太网接口4之间的连接方式不限，例如可以设置电连接方式，电连接方式搭建简单、稳定性较强，当然，上述各模块之间不限于通过电连接，本领域技术人员可根据实际需求选择适当的连接方式。
26.本发明实施例中，在超声波物位计中设置传感器模块、处理器模块、二线制以太网通信模块和以太网接口，超声波物位计中的处理器模块通过二线制以太网通信模块与以太网中的上层控制设备进行数据交互。通过设置二线制以太网通信模块，超声波物位计可以通过一对双绞线在以太网上实现高性能的全双工数据传输，并且可以实现远距离数据传输；另外，在测量过程中可以方便地将超声波物位计集成到现有的以太网环境中，无需附加的网关和接口，安装快速方便，能够与任意it网络实现透明连接，有利于实现上层到底层之间的一网到底、互联互通，降低工业现场测量时设备搭建的复杂性，提高数据传输效率。
27.可选的，在一示例性实施例中，二线制以太网通信模块包括yt8510h物理层接口芯片，处理器模块包括介质访问控制接口，介质访问控制接口与yt8510h物理层接口芯片连接。
28.可选的，在一个可能的实施例中，可在二线制以太网通信模块中设置yt8510h物理层接口芯片，yt8510h物理层接口芯片包括yt8510h物理层接口，通过yt8510h物理层接口与处理器模块内的介质访问控制(mac)接口连接，用以将处理器模块经由以太网接口依据10base-t1l协议与以太网连接交互。yt8510h是一款单口、低功耗10m/100m以太网phy收发器。yt8510h兼容2.5v/3.3v mii、rmii、rgmii接口，并且支持单对线上10m/100m长距离数据传输。
29.可选的，在一示例性实施例中，超声波物位计还包括：激励电路和回波接收处理电路；
30.激励电路分别与处理器模块和传感器模块连接，用于根据第二控制信号产生激励脉冲信号并发送激励脉冲信号至传感器模块，以使传感器模块发射超声波；
31.回波接收处理电路分别与传感器模块和处理器模块连接，用于对反射波信号进行处理，并将处理后的反射波信号发送至处理器模块。
32.可继续参考图1，本发明实施例提供的超声波物位计，还可包括：激励电路5和回波
接收处理电路6，激励电路5与处理器模块2和传感器模块1连接，处理器模块2在接收到第一控制信号后，可生成第二控制信号，并将第二控制信号经激励电路5发送至传感器模块1，激励电路5在接收到第二控制信号后，产生激励脉冲信号，并将激励脉冲信号发送至传感器模块1，该激励脉冲信号用于使传感器模块1内传输的电信号的电动势升高，达到发射超声波所需要的电压幅度，从而完成超声波的发送。
33.回波接收处理电路6与传感器模块1和处理器模块2连接，当传感器模块1接收到经待测物体反射的反射波后，将反射波信号发送至回波接收处理电路6，在回波接收处理电路6内进行一系列处理后，将处理后的反射波信号发送至处理器模块2，以便处理器模块2确定待测物体的测量信息。
34.可选的，本发明实施例中，可在处理器模块2内设置am335x处理器芯片，由am335x处理器芯片执行参数处理、数据计算、数据交互等功能，am335x处理器芯片内部集成两个mac，同时支持linux、android、wince三个操作系统，相对于其他处理器芯片，am335x处理器芯片性价比较高，选择该芯片作为处理器模块2内的核心芯片，可最大程度减少操作系统、tcp/ip协议栈移植及设备驱动开发方面的风险，加速产品开发进程。
35.可选的，在一个可能的实施例中，激励电路和回波接收处理电路可通过uart串行接口与处理器模块连接，以实现信号传输与通信。
36.可选的，在一示例性实施例中，激励电路包括存储电容和脉冲变压器；
37.回波接收处理电路包括限幅电路、滤波放大电路、对数放大电路和包络电压采样电路。
38.可选的，本发明实施例中，可在激励电路内设置存储电容和脉冲变压器，传感器模块内还可包括超声波探头，超声波探头用于发射超声波。
39.其中，激励电路可利用超大容量存储电容的储能作用和脉冲变压器产生一组40khz的激励脉冲信号加到超声波探头的两端，使得超声波探头能发射40khz的超声波。具体地，采用脉冲变压器进行升压处理，将流过脉冲变压器初级的电流以40khz的频率截断，变化的电流在脉冲变压器的初级产生感应电动势，再通过适当的脉冲变压器线圈匝数比在脉冲变压器的次级产生较高的电动势，可以达到超声波探头需要的电压幅度，从而激励传感器模块内的超声波探头发射超声波。
40.设置激励电路和脉冲变压器，以一种较为简单的方式，使传感器模块内电信号的电动势升高，从而发出探测所需的超声波。
41.可选的，对于回波接收处理电路内的具体设置方式，本发明实施例不做限制，本领域技术人员可根据实际需求进行设置，例如可设置前级限幅电路、初级滤波放大电路、对数放大器电路、包络电压采样电路和/或模数转换电路等。在回波接收处理电路内对接收的反射波信号进行滤波、放大、模数转换等处理后，将对应的数字信号发送至处理器模块。
42.进一步地，处理器模块根据处理后的反射波信号确定待测物体的测量信息，并将测量信息传输至以太网。
43.通过设置回波接收处理电路，能够提高处理器模块接收到的反射波信号的准确性，消除可能存在的干扰，提高待测物体位置信息的测量精度。
44.可选的，在一示例性实施例中，传感器模块包括超声波传感器和温度传感器。
45.可选的，本发明实施例中，可在传感器模块内设置超声波传感器和温度传感器，超
声波传感器用于发射超声波及接收反射波，温度传感器用于检测测量环境温度。
46.基于超声波物位计的测量原理，超声波传输的距离等于超声波传输速度与传输时间的乘积，在户外作业时，超声波物位计所处的工作环境不同，即实际测量环境的温度有所差别，在不同温度下，超声波传输的速度不同。本发明实施例中，传感器模块内包括温度传感器，温度传感器会将检测到的测量环境温度信息发送至处理器模块，处理器模块根据当前测量环境温度对超声波传播速度进行修正，以保证计算出的测量信息为待测物体真实的位置信息。
47.可选的，超声波传感器内可包括压电材料、吸声材料等，吸声材料可使超声波传感器接收尽可能多的反射波，压电材料用于将接收到的反射波转化成电信号，即转化成反射波信号。当然，超声波传感器和温度传感器内不限于设置上述元件，具体设置方式可由本领域技术人员根据实际需求进行选择。另外，超声波传感器和温度传感器内可设置保护膜，用于保护超声波传感器和温度传感器内的各元件，提高超声波物位计的使用寿命。
48.可选的，在一示例性实施例中，超声波物位计还包括：电源模块、人机交互模块和存储器；
49.电源模块与处理器模块电连接，用于向传感器模块、处理器模块和二线制以太网通信模块供电；
50.人机交互模块与处理器模块连接，用于显示测量信息、超声波物位计的工作状态信息和报警信息中的至少一种；人机交互模块还用于接收用户输入信息，并将用户输入信息传输至处理器模块，以使处理器模块进行参数调整；
51.存储器与处理器模块连接，用于存储数据。
52.可继续参考图1，本发明实施例中，还可在超声波物位计中设置电源模块7、人机交互模块8和存储器9。上述电源模块7、人机交互模块8和存储器9均可与处理器模块2连接。
53.电源模块7可向超声波物位计中的各个模块供电，保证超声波物位计正常工作。
54.人机交互模块8可包括显示模块和按键输入模块，其中，显示模块可设置lcd屏幕，用于显示包括测量信息、工作状态信息和报警信息等在内的各项展示数据。用户还可通过按键输入模块对超声波物位计的工作参数进行设定，当需要对超声波物位计的工作参数，例如量程、以太网通讯地址等进行设置，可在按键输入模块内进行输入，按键输入模块将用户输入信息发送至处理器模块2，处理器模块2根据用户输入的参数信息对超声波物位计的相关工作参数进行调整。
55.人机交互模块8的设置，能够使用户更直观的获取测量信息，并在超声波物位计发生故障时及时进行检修；同时也能使用户根据实际需求对超声波物位计的工作参数进行调整，提升超声波物位计的应用灵活性。
56.存储模块9用于存储数据信息，例如存储处理器模块2接收到的以太网下发的控制信号、待测物体的测量信息、故障及报警信息等。在一可能的实施例中，存储模块9可包括sdram和/或dataflash，但不局限于此。
57.可选的，在一示例性实施例中，超声波物位计还包括传感头，传感器模块、激励电路和回波接收处理电路设置在传感头内。
58.可选的，本发明实施例中，可将传感器模块、激励电路和回波接收处理电路集成于传感头内，以优化超声波物位计内部布局，减小超声波物位计的体积，实现超声波物位计小
型化应用，另外也能对传感器模块、激励电路和回波接收处理电路起到一定的保护作用，降低超声波物位计故障发生率。
59.可选的，在一示例性实施例中，超声波物位计还包括：电子单元仓；
60.处理器模块、二线制以太网通信模块、以太网接口、电源模块、人机交互模块和存储器设置在电子单元仓内。
61.同样可选的，本发明实施例中，还可将处理器模块、二线制以太网通信模块、以太网接口、电源模块、人机交互模块和存储器等集成于电子单元仓内，电子单元仓与传感头连接组成超声波物位计本体。图2为本发明实施例提供的一种超声波物位计的实体结构图，图3为图2所示超声波物位计的正面结构示意图，图4为图2所示超声波物位计的侧面结构示意图，从图2-图4中可以看到超声波物位计的传感头10和电子单元仓11。
62.其中，传感头和电子单元仓外壳的材质可根据实际需求进行设计，在一个可能的实施例中，可将选用金属材料制作电子单元仓的外壳，金属材料强度较高，防护效果更好；并且具有一定的隔离电磁波的效果，能够减少外界杂波对超声波物位计的干扰，提升测量及接收以太网中控制信号的准确性。传感头的材质可与电子单元仓一致，或依据其他因素进行选择，此处不再赘述。
63.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种超声波物位计控制系统，图5为本发明实施例提供的一种超声波物位计控制系统的结构示意图，该控制系统包括本发明任意实施例提供的超声波物位计14，如图5所示，该控制系统还包括：中层网络附件12和上层控制设备13；
64.中层网络附件12分别与超声波物位计14的以太网接口以及上层控制设备13连接，中层网络附件12用于将上层控制设备13发出的第一控制信号传输至超声波物位计14，并将超声波物位计14的测量信息传输至上层控制设备13。
65.其中，中层网络附件12为超声波物位计14本体与以太网连接的设备，上层控制设备13为以太网中连接的、向超声波物位计14发送控制信号，并采集超声波物位计14反馈的测量信息的终端设备。超声波物位计14、中层网络附件12、上层控制设备13和以太网构成超声波物位计控制网络。
66.超声波物位计控制系统的工作过程可描述如下：上层控制设备13根据10base-t1l协议将控制信号下发，经中层网络附件12传递至超声波物位计14的以太网接口，随后经二线制以太网通信模块传输至处理器模块，处理器模块进行相应控制及处理后，向上层控制设备13反馈控制信息。
67.下面以上层控制设备13控制超声波物位计14进行待测物体位置测量为例，对上述工作过程进行详细介绍。首先上层控制设备13通过10base-t1l协议连接到超声波物位计14的以太网接口，并下发第一控制信号，处理器模块在接收到第一控制信号后，对第一控制信号进行解析，解析完成后向传感器模块发送第二控制信号，开始进行待测物体位置测量；传感器模块接收经待测物体反射的反射波信号，随后处理器模块根据反射波信号确定测量信息，测量结束后，将获取的测量信息数据封装，并通过以太网接口反馈至中层网络附件12，最后传输至上层控制设备13，完成一次物位采集处理。
68.可选的，在一个可能的实施例中，中层网络附件可以包括功率交换机和现场交换机。上层控制设备可以包括pc机、笔记本、平板电脑、智能手机等。
69.具体地，可仍参考图5，本发明实施例提供的超声波物位计控制系统中，上层控制设备13可以包括pc机、笔记本、平板电脑、智能手机等，实现超声波物位计14的多终端控制。中层网络附件12可包括功率交换机15和现场交换机16，在使用超声波物位计14时，可将一个或多个超声波物位计14与现场交换机16连接，现场交换机16经由增安干路与功率交换机15交互，功率交换机15按照到10base-t1l协议与以太网中的上层控制设备13连接，以实现数据信息交互。
70.可以理解的是，为了满足防爆要求，超声波物位计一般设置为本安设备，本安即本质安全，本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能，本质安全的理论基础是确保系统中的电能及热能均低到不会使爆炸性气体燃烧，因此在危险区域下只允许流过低电压及小电流，而且对于能量储存有严格的限制。为了保证工业现场的安全性，超声波物位计会通过本安支路与现场交换机连接，现场交换机收集超声波物位计的测量信息，并通过增安干路，连接功率交换机，经过增安干路后，线路内的电压、电流或功率等增加，信息传输速率增加，最终会以一较快速率将测量信息等数据上传至上层控制设备。
71.可选的，在一示例性实施例中，现场交换机可以为10base-t1l现场交换机、功率交换机可以为10base-t1l功率交换机，现场交换机和功率交换机可按照如下要求进行选择：具有部分ieee802.3u接口、具有部分ieee802.3bu接口、符合ieee802.3bu标准的接口、支持数据线供电(podl)功能等。
72.通过设置现场交换机与功率交换机，能够在保证下层超声波物位计及测量现场安全性的同时，提升数据传输速率，提高超声波物位计的工作效率。
73.本发明实施例提供的超声波物位计控制系统，无需额外设置网关，拓扑结构简单；任意基于以太网的协议或应用均可使用，支持广泛用于现场总线的主干和分叉拓扑，能够实现从云端到底层的基于互联网协议的端到端通信；主干网在10mbps速率下最长传输距离达1000米，分支的传输距离为200米，满足工业现场仪表沿用至今的两线制要求和特殊的防爆及本安要求，同时也为预测性维护提供灵活性，具有较强的实用性，有利于大范围推广使用。
74.另外，本发明实施例提供的超声波物位计控制系统具备本发明任意实施例提供的超声波物位计的全部技术特征及相应有益效果，此处不再赘述。
75.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。