專利名稱：距離測量設備及其相關方法
技術領域：
本發(fā)明涉及距離測量設備及其相關方法。尤其，但并非限制性，本發(fā)明 涉及測量儲水池、水道或者類似物中液位的設備及其方法。更加具體地，但
并非限制，本發(fā)明涉及基于液位測量確定流體流(fluid flow)的設備和方法。
背景技術：
超聲波經(jīng)常用來測量到達目標的距離。在許多例子中這個測量是通過從 發(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖，然后接著計時多長時間接收到該脈沖從目標的反 射。經(jīng)常使用收發(fā)器，其中發(fā)射器既用來生成超聲波脈沖也用來接收反射波 脈沖。如果已知被傳送的聲音脈沖在該介質中聲音的速度，脈沖到達目標且 返回來的時間經(jīng)常^C用來計算到該目標的距離。
該技術的準確性受到各個因素的影響，這些因素包括流體成分， 一般是 氣體，該流體成分形成聲音脈沖傳播的介質以及介質的溫度。如果流體成分
或者溫度變化，則聲音的速度改變了，而計算則不準確了。
經(jīng)常需要來測量容器中的液位，而這個液位測量提供了已經(jīng)使用超聲波 來測量距離的一個例子。在一些情況下，例如在蓄水池中，這對確定容器中 的液體的體積很有用。在其他情況下，例如在水槽(flume )或者攔水壩(weir ) 的主要構件中，這對確定液體流過該主要構件的速度是很有用的。
除了測量容器或水槽中的液位，還眾所周知的使用超聲波來測量到目標 的距離，以及將超聲波部件加入到裝置中，例如碰撞探測器中、距離測量裝 置和類似裝置中。
在一個特別的應用中，僅通過例子方式給出以便于描述，測量流速正變 得越來越重要，因為公司正被更加嚴密地監(jiān)控著他們釋放出多少廢料而相應 付費。因此希望盡可能的精確。正如上面闡述的一個確定液位的現(xiàn)有技術是使用超聲波脈沖。但是，在
外部環(huán)境中，溫度在50攝氏度級別，超過了所經(jīng)歷的操作條件，因而空氣 中聲速也變化。
已經(jīng)提出了盡量減少這個問題的技術。該技術包括設置溫度傳感器。但 是，由于從太陽直接發(fā)射的熱會引起錯誤的讀數(shù)，在傳感器獲得的讀數(shù)中有 太多的滯后，因此簡單地提供溫度傳感器并沒有給出合適的方案。
已知提供防護來遮蔽傳感器受到直接的太陽光照射，但是這種防護本身 提供了另一個熱量，這個熱量增加了傳感器的滯后。
還已知通過提供木樁等來提供參考距離。這個參考距離允許任何已經(jīng)因 溫度變化而校正的測量；由于參考距離已知，則可以調整讀數(shù)直到計算給出 了對于參考距離的正確距離。但是，該技術當在參考距離是正確的時候才是 準確的。外部物件能變成在木樁上的沉積物，例如當發(fā)生洪水時外來物體會 沉積在木樁上，冰會形成在木樁上等，所有這些都會嚴重影響所獲取的讀數(shù) 的準確性。

發(fā)明內容
本發(fā)明第 一個方面提供了 一種構建測量到目標的距離的距離測量設備， 該距離測量設備包括第一聲音發(fā)射器，設置在離目標的第一距離，和第二聲 音發(fā)射器，設置在離目標的第二距離，其中第一距離和第二距離是不同的， 第 一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器通過處理電路來控制，且第 一聲音發(fā)射器 和第二聲音發(fā)射器設置成在使用中發(fā)射聲音脈沖，從而入射在目標上，并且 該設備還包括至少 一個聲音接收器，聲音接收器設置來接收多個反射的聲音 脈沖以及從其生成輸出，而所述處理電路設置來接收該輸出，確定自第一脈 沖和第二脈沖發(fā)射以來的時間，且根據(jù)確定的時間生成至目標的距離。
這種設備被認為是有利的，這是由于使用兩個傳感器允許進行至目標的 距離測量，而這距離測量一般對溫度不敏感。
使用兩個發(fā)射器是有利的，這是由于增加了在系統(tǒng)中的發(fā)射功率，該系 統(tǒng)進行少錯誤而更加免于噪聲的距離測量。而且，從至少一個接收器確定距離被認為是有利的，這是由于這不需要將從一個以上的接收器接收到的信號 進行同步，不需要增加每一個接收器電路所采用的不同的增益的可能性。
一般地，第 一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器被引起在大概同時發(fā)出聲音 脈沖，這有助于減少執(zhí)行的計算的復雜度，以計算至目標的距離。在其他實 施例中，有可能來使得第 一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器在不同的時間生成 聲音脈沖。
方便地，第一和第二傳感器被設置來發(fā)出超聲波。
在一個實施例中，第一和第二傳感器中的至少一個或者也有可能兩個傳
感器均包括收發(fā)器；即，這樣的裝置，被設置來作為接收器和發(fā)射器兩者的 裝置。因此，作為一個發(fā)射器的這樣的同一裝置可被設置為接收器。這種裝 置由于可在更加壓縮的空間內提供所需的功能而很方便。
在另一個實施例中，接收器可設置為不同于發(fā)射器的單獨的裝置。在這 個實施例中，如果接收器作為發(fā)射器以基本上離待測量的目標相同的距離來 安裝，則會很方便。
一般地，第一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器兩者是按以下方式來設置 的，它們發(fā)射聲音脈沖，該聲音脈沖一般沿著垂直于目標的線路。但是，如 果第一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器彼此從發(fā)射器測量目標與垂直線路基 本橫向的方向偏置，則會很方便。這種設置是方便的，由于能夠防止兩個發(fā) 射器之一阻礙另一個發(fā)射器發(fā)出的信號，例如如果發(fā)射器彼此成一線。 一般 地，偏置很小從而接收發(fā)射脈沖的每一個接收器仍然沿著一般垂直于目標的 線路接收多個聲音脈沖。
在一些實施例中，測量距其距離的目標包括液體表面。該實施例提供了 液位測量設備，該液位測量設備可在例如確定儲水池中的液面位置這樣的設 備中發(fā)現(xiàn)實用性。
該設備可與攔水壩或者水槽連接在一起設置，測量距其距離的目標包括 流經(jīng)攔河壩或者水槽的液體的表面。在該實施例中，處理電路設置來計算流 經(jīng)溝渠的液體流動，在該溝渠中設置有攔水壩或者水槽。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供了 一種測量至目標的距離的方法，該方法包
括對距離目標的第 一距離處的發(fā)射器發(fā)出的第 一聲音脈沖的射程的第一
時間進4亍計時；
對距離目標的第二距離處的發(fā)射器發(fā)出的第二聲音脈沖的射程的第二 時間進4亍計時；
使用射程的第一和第二時間來計算從用來接收聲音脈沖的接收器到目 標的3巨離。
一般地，該方法將在基本同時使得聲音脈沖從發(fā)射器發(fā)出，這有助于減 少至目標的距離的計算復雜度。 有利地，聲音脈沖包括超聲波。
該方法包括使用其中之一個發(fā)射器作為接收器。該方法有助于減少所需 設備的復雜性，且還有助于簡化所需的來確定至目標的距離的計算。
該方法尤其測量至液體表面的距離，即目標包括液體的表面。該方法可 發(fā)現(xiàn)應用于測量儲水池等中的液體的水位。在其他實施例中，該方法用來確 定在溝渠中的液體流速。
本發(fā)明第二方面方法包括本發(fā)明第 一 方面討論的特征。
根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供了一種用具，該用具包括第一和第二收發(fā)器， 該收發(fā)器設置來構建提供本發(fā)明的第 一或者第二方面。
根據(jù)本發(fā)明第四方面，提供了一種包括指令的機器可讀介質，當在指令 被處理電路讀取時，該指令使得處理電路提供本發(fā)明第二方面的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種流量測量設備，設置來安置在溝渠 上，該流量測量設備包括第一聲音發(fā)射器，該第一聲音發(fā)射器設置在待測表 面之上的第一高度，第二聲音發(fā)射器，該第二聲音發(fā)射器設置在待測表面之 上的第二高度，其中第一高度和第二高度是不同的，第一和第二傳感器由處 理電路控制，第一和第二傳感器設置成在使用中聲音脈沖發(fā)射，從而入射在 表面上，該設備還包括至少一個聲音接收器，設置來接收多個反射的聲音脈 沖，以及從中生成輸出，以及該處理電路設置來接收該輸出，確定從第一脈
來計算從該距離至表面的穿過溝渠的液體的流速(flow)。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了一種包括指令的機器可讀介質，當處理電路讀取該指令時，^吏得該處理電路執(zhí)行為本發(fā)明的第一方面或者第六方面 的設備。
上述涉及的機器可讀介質可以為下面的任何一種軟盤、CD ROM/RAM、 DVD ROM/RAM (包括R/畫RW或者+R/+RW) 、 HD DVD、 BlurayTM盤、硬盤驅動器、存儲器(包括SD卡、存儲棒tm、閃存卡、記憶 棒等或者任何半導體存儲器)，發(fā)射出來了的信號(包括網(wǎng)絡下載、FTP傳 輸?shù)?、有線傳輸。


下面參見附圖，僅通過例子的方式，詳細說明本發(fā)明 圖1示意性地示出了本發(fā)明實施例是如何設置的； 圖2示出了本發(fā)明實施例的部件； 圖3示意性地示出了本發(fā)明實施例傳感器的輸出； 圖4是本發(fā)明實施例如何^皮使用的示意圖；以及 圖5是使用本發(fā)明實施例的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了第一傳感器100和第二傳感器102如何設置在表面106上的 距離測量裝置104中。在該實施例中，表面提供了目標，希望知道至該目標 的距離。該表面例如可以是儲水池或者溝渠中的液體的表面，或者可以是目 標的一部分，該目標希望避免使用防撞系統(tǒng)等。
第一傳感器100放置在離表面的第一高度ln處，以及第二傳感器102
放置在離表面的第二高度h2。
在該實施例中，第一傳感器100和第二傳感器200是收發(fā)器，即設置來 作為發(fā)射器發(fā)射前往表面106的聲音脈沖，還作為接收器設置來接收從表面 106反射的聲音脈沖。在其他實施例中，第一傳感器IOO和第二傳感器102 不必為收發(fā)器，而作為單獨的發(fā)射器和單獨的接收器。在一些實施例中，僅 設置單一的接收器。
10在該實施例中，第一傳感器100和第二傳感器102設置來發(fā)射并接收超 聲波脈沖。傳感器IOO和102發(fā)射的脈沖基本垂直于表面106。第二傳感器 102在從表面106至第二傳感器102的垂直線路的橫向方向偏移距離L。該 偏移確保了第一傳感器100不會阻礙第二發(fā)射器102發(fā)出的聲音脈沖。
如圖2所示，第一傳感器IOO和第二傳感器102中的每一個與處理電路 108連接。該處理電路108當傳感器100和102發(fā)射脈沖時進行控制，并且 當傳感器接收到從表面106來的反射脈沖110時，處理電路108還處理傳感 器IOO和102生成的輸出。在正在描述的實施例中，處理電路108設置來接 收僅來自第一傳感器IOO的輸出。在另一個實施例中，處理電路設置來接收 傳感器100和102兩者的輸出，或者可被設置來接收第二傳感器102的輸出。
第一傳感器IOO和第二傳感器102之間的偏移距離L是足夠小的，從而 第一傳感器IOO接收到的反射脈沖UO還仍然大致垂直于表面106傳輸至第 一傳感器100。但是處理電路108設置來將校正應用至確定高度h,和/或h2 來計算偏移L。
處理電路一般包括處理器和相關連的存儲器， 一起設置來執(zhí)行軟件使得 處理電路如所期望的那樣進行工作。在該實施例中，處理器可以為或者可以 相似地是奔騰PentiumTM或者AthlonTM級處理器。在另一個實施例中，處理 電路不包括處理器，但包括專用電路(可以是模擬元件和/或場可編程門陣 列(FPGA))或者設置來提供期望的功能的相似的電路。
圖4示意性地示出了一個可能的實施例，其中使用了距離測量設備。在 該實施例中，距離測量設備設置有流速測量設備。
圖4示出了溝渠400,通過該溝渠400，液體402流過。溝渠400包括 收縮部(contraction ) 404，該收縮部404 ^f吏得在通道的入口端區(qū)域406中以 快速流動方式流動的液體，通過水躍，在出口端區(qū)域408 ^皮改變?yōu)槁倭鲃?的液體。在這種設置下，液體402在入口端區(qū)域406的深度與液體的速度直 接成比例。因此，如果液體的液位被確定，液體的流速則能被計算出來。因 此，如圖1和2所描述的液位測量設備104可放置在入口端區(qū)域406上。
在使用中(參見圖5的流程圖所描述的)，處理電路設置來使得傳感器 100和102在基本相同時間發(fā)出脈沖(步驟500 )。在一個實施例中，管腳(即輸入M皮此相連來確保兩個傳感器100和102可在同時發(fā)出脈沖，當在 其上施加電壓時，該管腳引起每一個傳感器100和102發(fā)出脈沖。
可從圖2看出，從第二傳感器102發(fā)出的脈沖在被第一傳感器100接收 到之前，傳播了 2ht + Ah的距離。從第一傳感器IOO發(fā)出的脈沖在被第一傳 感器IOO接收到之前傳播了 2h!的距離。
該脈沖如圖3示意性示出。區(qū)域300至圖的左邊顯示了在傳感器IOO發(fā) 出脈沖后仍然在振鈴(ring)的時間。第一脈沖302在對應傳播了 21^路徑 的時間l接收到(步驟502)，第二脈沖304在對應傳播了 2hi + Ah路徑的 時間2接收到(步驟504)。
已知兩個傳感器100和102之間的距離(即Ah); 以及第一脈沖302 和第二脈沖304之間的時間差是脈沖傳播距離Ah的時間。因此，在當前空 氣條件下，聲速可被計算，且用來校正任一脈沖到達第一傳感器100的時間。 如果確定當前的聲速，則在步驟506適合來計算該聲速。但是，在其他實施 例中，聲速不需要被計算，并且后續(xù)的計算可簡單地基于脈沖接收到的時間 來進行。這種基于時間的計算固有地使用了在當前條件下聲音的實際速度。
第一脈沖302傳播距離2h!而第二脈沖304傳播距離2h!+Ah。因此，可 確定從任一傳感器100或102至表面106的距離(步驟508 )。這種確定有 效地使用了聲音在空氣中的實際速度，在當前條件下不管周圍溫度或者陽光 輻射模式根據(jù)當前條件進行校正。
在正在描述的實施例中，第一傳感器IOO接收脈沖302和304，但這不 能成為案例，對于第二傳感器102也是有可能充當接收器的，或者兩者均充 當接收器。
在如圖4所示的實施例中，表面106是由液體402的表面來提供，并且 知道/人任一傳感器IOO或102至液體表面的距離允許通道400中的液體深度 從溝渠400的幾何形狀來確定。
由于在溝渠400的出口端區(qū)域408中的液體的深度中的流速與已知液體 的深度的流速成比例，知道液體的深度允許來確定流速(步驟510)和處理 電路還設置來執(zhí)行該計算。
權利要求
1、一種設置來測量至目標的距離的距離測量設備，包括第一聲音發(fā)射器，設置在離該目標的第一距離；和第二聲音發(fā)射器，設置在離該目標的第二距離；其中，所述第一距離和第二距離是不同的，所述第一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器由處理電路控制，所述第一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器設置成在使用過程中發(fā)射出聲音脈沖，入射在該目標上，以及所述設備還包括至少一個聲音接收器，所述至少一個聲音接收器設置來接收多個反射的聲音脈沖，且從其生成輸出，以及所述處理電路設置來接收所述輸出，確定從發(fā)出第一個脈沖和第二個脈沖以來的時間，以及根據(jù)所述確定的時間生成至所述目標的距離。
2、 如權利要求1所述的距離測量設備，其中所述第一聲音發(fā)射器和第 二聲音發(fā)射器在大致同時發(fā)出聲音脈沖。
3、 如權利要求1所述的距離測量設備，其中所述第一聲音發(fā)射器和第 二聲音發(fā)射器在不同時間發(fā)出聲音脈沖。
4、 如上述權利要求任一所述的距離測量設備，其中所述聲音脈沖是超 聲波脈沖。
5、 如上述權利要求任一所述的距離測量設備，其中至少一個所述聲音 發(fā)射器也是接收器。
6、 如權利要求5所述的距離測量設備，其中所述第一聲音發(fā)射器和第 二聲音發(fā)射器也是接收器。
7、 如權利要求1所述的距離測量設備，其中聲音接收器安裝在與所述 發(fā)射器之一距離目標大致相同的距離處。
8、 如上述權利要求任一所述的距離測量設備，其中所述第一聲音發(fā)射 器和第二聲音發(fā)射器設置成發(fā)射聲音脈沖，所述聲音脈沖沿著大致垂直于所 述目標的線 路傳播。
9、 如上述權利要求任一所述的距離測量設備，其中所述第一聲音發(fā)射 器和第二聲音發(fā)射器在大致橫切于所述第一聲音發(fā)射器和第二聲音發(fā)射器 之一和目標之間的垂直線3各的方向相互偏移。
10、 如權利要求9所述的距離測量設備，其中所述偏移很小，從而所述 接收器接收到的反射的聲音脈沖已經(jīng)沿著大致垂直于所述接收器至所述目 標的線路傳播了。
11、 如權利要求9或IO所述的距離測量設備，其中所述處理電路設置 來當從所述第一和/或第二聲音發(fā)射器之一確定至所述目標的距離，來考慮 偏移。
12、 如上述權利要求任一所述的距離測量設備，其中測量至其距離的所 述目標包括液體的表面。
13、 如權利要求12所述的距離測量設備，其中所述液體的表面流過欄 水壩或者水槽的液體的表面。
14、 如權利要求13所述的距離測量設備，其中所述處理電路還設置來 使用測量的距離來計算通過溝渠的液體的流速，在所述溝渠中放置了攔水壩 或者水槽。
15、 一種測量至目標的距離的方法，該方法包括對距離目標的第 一距離處的發(fā)射器發(fā)出的第 一聲音脈沖的射程的第一 時間進行計時；對距離目標的第二距離處的發(fā)射器發(fā)出的第二聲音脈沖的射程的第二 時間進4亍計時；使用射程的第 一和第二時間來計算從接收器至目標的距離，所述接收器 用來接收聲音脈沖。
16、 如權利要求15所述的測量至目標的距離的方法，其中所述聲音脈 沖大致在同時從一個或者多個發(fā)射器發(fā)出。
17、 如權利要求15或16所述的測量至目標的距離的方法，其中所述聲 音脈沖包括超聲波。
18、 如權利要求15至17任一所述的測量至目標的距離的方法，其中所 述至少一個發(fā)射器是接收器。
19、 如權利要求15至18任一所述的測量至目標的距離的方法，其中所 述方法使用于測量儲水池中液體的液位或者確定溝渠中的液體流速。
20、 一種包括第一收發(fā)器和第二收發(fā)器的裝備，所述第一收發(fā)器和第二收發(fā)器配置構成提供權利要求1-14任一所述的一個設備或者兩個設備，或 者使用在如權利要求15-19任一所述的方法中。
21、 一種包括指令的機器可讀介質，當處理電路讀取所述指令時，使得 所述處理電路來提供權利要求15-20任一所述的方法。
22、 一種流速測量設備，設置在溝渠上，該設備包括 第一聲音發(fā)射器，設置待測表面上的第一高度；和 第二聲音發(fā)射器，設置待測表面上的第二高度；其中，所述第一高度和第二高度是不同的，所述第一聲音發(fā)射器和第二 聲音發(fā)射器由處理電路控制，所述第一和第二傳感器設置成在使用過程中發(fā) 射出的聲音脈沖，入射在待測表面上，以及所述設備還包括至少一個聲音接 收器，設置來接收多個反射的聲音脈沖，且從其生成輸出，以及所述處理電 路設置來接收所述輸出，確定自從第一個脈沖和第二個脈沖以來的時間，以 及根據(jù)所述確定的時間生成至表面的距離，還根據(jù)至表面的距離計算通過溝 渠的液體的流速。
23、 一種包括指令的機器可讀介質，當處理電路讀取該指令時使得所述 處理電路執(zhí)行為權利要求22或者權利要求1-14任一所述的設備。
24、 如權利要求23所述的機器可讀介質，其中所述機器可讀介質包括 以下任一軟盤、CD ROM/RAM、 DVD ROM/RAM (包括—R/-RW或 +R/+RW) 、 HDDVD、 BluRayTM盤、硬盤驅動存儲器(包括SD卡、存儲 棒tm、閃存卡或者任何半導體存儲器)、發(fā)射信號(包括網(wǎng)絡下載、FTP傳輸或者類似的)或者有線傳輸。
25、 一種設置來測量至目標的距離的距離測量設備，包括 至少一個第一信號發(fā)射器； 至少一個第一信號接收器；至少一個第二信號發(fā)射器和第二信號接收器，該或者每一個信號發(fā)射器 設置來在使用中發(fā)出至少一個信號入射在目標上，以及該或者每一個信號接 收器設置來接收該或者每一個信號；該或者每一個發(fā)射器以及該或者每一個接收器由處理電路控制；其中，該或者每一個信號發(fā)射器和該或者每一個信號接收器設置成在第一和第二發(fā)射器之間存在距離或者第一和第二接收器之間存在距離，從而所述處理電路確定該或者每一個信號發(fā)射和接收之間的時間，以及根據(jù)確定的時間生成至目標的距離。
26、 一種測量至目標距離的方法，該方法包^\-對目標至第一接收器的第一距離處的第 一發(fā)射器發(fā)出的信號的射程的第一時間進行計時；對目標至第一接收器的第二距離或者從第一發(fā)射器至第二接收器在離目標的第二距離處的第二發(fā)射器發(fā)出的信號的射程的第二時間進行計時；使用射程的第 一和第二時間來計算從該或者接收器至目標的距離。
27、 一種設置來測量至目標的距離的距離測量設備，使用至少一個信號發(fā)射器和至少一個信號接收器，其中所述至目標的距離測量大體對溫度不敏
全文摘要
設置來測量至目標(106)的距離的距離測量設備，包括第一聲音發(fā)射器(100)設置在離目標的第一距離(h₁)，和第二聲音發(fā)射器(102)設置在離目標(100)的第二距離(h₂)，其中第一和第二距離是不同的，所述第一發(fā)射器(100)和第二發(fā)射器(102)由處理電路(108)控制，所述第一和第二發(fā)射器設置成在使用中聲音脈沖發(fā)出入射在目標(106)上，所述設備還包括至少一個聲音接收器(100)設置來接收多個反射的聲音脈沖，且生成輸出，所述處理電路(108)設置來接收所述輸出，確定自從發(fā)出第一和第二脈沖以來的時間，以及根據(jù)確定的時間生成至目標的距離。
文檔編號G01F23/296GK101680797SQ200880020312
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月28日 優(yōu)先權日2007年4月28日
發(fā)明者凱斯·維克多·比而德, ?！ぬ靥m 申請人:普爾薩程序測量有限公司