專利名稱：儲(chǔ)油罐超聲液位測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及油罐液位測量，屬于計(jì)量檢測類產(chǎn)品。在煉油廠、油庫、化工廠、石油公司等單位，常常需要對油罐的液位進(jìn)行測量。儲(chǔ)油罐超聲液位測量裝置主要由換能器和二次儀表組成。
上海自動(dòng)化儀表五廠生產(chǎn)了一種YCS型數(shù)字式超聲波液位計(jì)，它的目的是利用超聲波非接觸測量所具有的簡便安全的優(yōu)異特性，去測量易燃、易爆、有毒、有腐蝕性的液體的液位高度，構(gòu)成是把一換能器裝在容器底部，在儀器產(chǎn)生信號激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波的同時(shí)，令儀器內(nèi)的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)超聲波經(jīng)液面反射回到換能器時(shí)，換能器將回波信號轉(zhuǎn)換成電信號，此信號經(jīng)處理后關(guān)閉計(jì)數(shù)器，這樣就測出聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)液體中聲波傳播的速度，就可確定液位高度，其不足之處是不能測量超聲波在容器底壁的往返傳播時(shí)間，在油罐底部有沉積污物時(shí)，測量精度進(jìn)一步降低。
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量精度高、安裝使用方便的儲(chǔ)油罐超聲液位測量裝置。
本實(shí)用型的目的可以通過以下技術(shù)方案來達(dá)到本實(shí)用新型包括換能器[1]、[2]及二次儀表[3]，換能器和二次儀表之間用高頻電纜連接，二次儀表[3]包括信號發(fā)生器[5]，連接信號發(fā)生器的放大電路[6]，連接放大電路的整形電路[7]，連接單片機(jī)的計(jì)數(shù)器[8]，連接整形電路、信號發(fā)生器及計(jì)數(shù)器的單片機(jī)系統(tǒng)[9]，連接放大器輸入端的電子門[12]，一端連接換能器，另一端連接信號發(fā)生器及放大電路的繼電器[10]、[11]，其特征是在儲(chǔ)油罐底部平行地安裝一低頻換能器[1]和一高頻換能器[2]；信號發(fā)生器[5]由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和功率放大電路組成，兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分由單片機(jī)的P1口的P1.0位和P1.1位控制觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度由外接的電阻、電容決定，其輸出的脈沖經(jīng)二極管到達(dá)功率放大電路，該電路輸出的脈沖信號經(jīng)繼電器[10]或[11]激發(fā)換能器[2]或[1]。
本實(shí)用新型利用超聲波測量油罐液位的根據(jù)是因超聲波的傳播距離H由其傳播時(shí)間T和傳播速度C決定，即H＝CT (1)可見，對于任何形狀的油罐，只要精確地測出超聲波在液體中的傳播時(shí)間和傳播速度，就可確定罐內(nèi)儲(chǔ)油的高度H。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其信號衰減與頻率成正比，即頻率越低，信號衰減越??；頻率越高，信號衰減越快。故低頻換能器1用于測量從換能器安裝點(diǎn)(測量基準(zhǔn)點(diǎn))到油一氣界面的大距離H1H1＝(Csts+Cwtw+Coto)/2 (2)(2)式中 Cs超聲波在罐底壁中的傳播速度ts超聲波在罐底壁中的往返傳播時(shí)間cw超聲波在水中傳播速度tw超聲波在水中的往返傳播時(shí)間co超聲波在油中的傳播速度to超聲波在油中的往返傳播時(shí)間一般高頻超聲換能器的測量盲區(qū)比較小，故高頻換能器2用于測量從測量基準(zhǔn)點(diǎn)到油—水界面的小距離H2
H2＝(Csts+Cwtw)/2 (3)(3)式中Cs、ts、Cw、tw所代表的意義與(2)式相同，這樣罐內(nèi)所裝石油產(chǎn)品的液位高H為H＝H1-H2＝(Coto)/2(4)因?yàn)榈皖l換能器1測得的時(shí)間t1由下式?jīng)Q定t1＝ts+tw+to(5)高頻換能器2測得的時(shí)間t2由下式?jīng)Q定t2＝ts+tw(6)所以(4)式可變換為H＝coto/2＝co(t1-t2)/2(7)由(7)式可以看出，只要精確地測量兩個(gè)換能器超聲波的往返傳播時(shí)間，根據(jù)石油產(chǎn)品中超聲波傳播速度，就可計(jì)算出油罐中的液位，亦即測量油罐液位不受具體油罐的底板厚度、水面高度以及沉積污物等的影響。
附圖的圖面的說明如下；

圖1為儲(chǔ)油罐超聲液位測量裝置示意圖圖2為裝置的系統(tǒng)組成框圖圖3為裝置的信號發(fā)生和放大電路圖圖4為裝置的信號整形電路圖圖5為單片機(jī)控制系統(tǒng)圖圖6為裝置的控制軟件流程圖圖中1.低頻換能器2.高頻換能器3.二次儀表4.油罐底壁 5. 信號發(fā)生器 6.放大電路 7.整形電路8.計(jì)數(shù)器 9. 8031單片機(jī)系統(tǒng) 10.繼電器 11.繼電器12.電子門 13.晶體振蕩器
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型裝置的細(xì)節(jié)及工作情況。
兩個(gè)超聲換能器采用價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的壓電陶磁換能器，換能器安裝在被測油罐的底部外壁，用油脂作耦合劑，這樣可以排除罐壁與換能器之間的空氣，使換能器與油罐底壁很好的耦合，換能器和二次儀表之間用高頻電纜連接。二次儀表由信號發(fā)生器5、放大電路6、整形電路7、和單片機(jī)9等組成。為了提高計(jì)數(shù)頻率，減少計(jì)時(shí)誤差，不采用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，而在單片機(jī)外接計(jì)數(shù)器8。單片機(jī)采用8031單片機(jī)，由74LS373、EPROM2732等組成最小應(yīng)用系統(tǒng)，外接一片8155可編程I/O口。計(jì)數(shù)器8采用計(jì)數(shù)頻率為10MHZ的8254。電子門采用4066雙向開關(guān)，繼電器10.11采用北京光電器件廠生產(chǎn)的GJ固體繼電器。
低頻換能器1的諧振率為100KHZ，其最大測量范圍為15m，測量盲區(qū)≤35cm，高頻換能器2的諧振頻率為2MHZ，其測量盲區(qū)≤5mm。換能器的觸發(fā)脈沖由信號發(fā)生器提供，信號發(fā)生器由兩個(gè)74LS122單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和功率放大電路組成，其工作狀況由單片機(jī)p1口的p1.0和p1.1位控制。當(dāng)其中一位發(fā)出正向脈沖(由低到高)時(shí)，對應(yīng)的觸發(fā)器發(fā)出一定寬度的脈沖，其脈寬由觸發(fā)器外接電阻和電容決定。經(jīng)功率放大后，輸出脈沖信號電壓幅值為25V。
高頻換能器超聲波往返時(shí)間t2是這樣測量的單片機(jī)先控制閉合通往高頻換能器的繼電器10(p1.2位控制)，斷開通往低頻換能器的繼電器11(p1.3位控制)，同時(shí)斷開通往放大電路的電子門12(p1.4位控制)。然后由單片機(jī)(p1.0位)發(fā)出一脈沖控制信號，觸發(fā)信號發(fā)生器，使之發(fā)出脈寬為0.25us的矩形脈沖，單片機(jī)在發(fā)出脈沖控制信號的同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器8。經(jīng)過2us的延時(shí)后，單片機(jī)控制開啟電子門12。高頻換能器在脈沖激勵(lì)下，發(fā)出頻率為2MHZ的超聲波，超聲波到達(dá)罐底內(nèi)表面與液體分界面時(shí)，一部分以回波的形式返回?fù)Q能器，另一部分則透過界面繼續(xù)往前傳播。高頻換能器在收到油罐底壁與液體分界面返回的回波信號后，將其轉(zhuǎn)換為電信號，信號通過電子門12到達(dá)信號放大電路6，放大電路采用超低漂移運(yùn)算放大器F7650，經(jīng)兩級放大后，其放大倍數(shù)可達(dá)80-120db，放大后的信號進(jìn)入整形電路7，整形電路用兩級運(yùn)放組成分壓式雙向限幅電路，其目的是將放大后幅值不同的信號整形為正負(fù)脈寬基本相等、幅值相同的矩形脈沖，以適合單片機(jī)控制需要，為提高整形效果，本實(shí)用新型選用了轉(zhuǎn)換速率高(13v/us)的雙運(yùn)放LF353，整形后的信號到達(dá)單片機(jī)INTO位，引起單片機(jī)中斷，單片機(jī)中斷后，讀取計(jì)數(shù)器8中的數(shù)據(jù)，這時(shí)測得的時(shí)間即為超聲波在罐底中的往返傳播時(shí)間ts。在一部分超聲波信號透過罐底壁與液體分界面進(jìn)入液體中傳播時(shí)，如果罐底沉積有水，信號在到達(dá)水一油分界面時(shí)，同樣會(huì)有回波信號返回?fù)Q能器，此信號經(jīng)放大整形后，由單片機(jī)中斷讀取計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)，這時(shí)測得的時(shí)間即是由ts和水中超聲波往返傳播時(shí)間tw組成的t2。如果罐底沒有水，即高頻換能器在一定時(shí)間內(nèi)收不到水-油回波信號時(shí)，單片機(jī)將第一次讀取的數(shù)值作為t2，這時(shí)即有ts＝t2。
在t2測量完成后，系統(tǒng)開始測量從換能器安裝點(diǎn)(測量參考點(diǎn))到油-氣界面的超聲波往返傳播時(shí)間t1。單片機(jī)先初始化計(jì)數(shù)器8，并控制閉合繼電器11，斷開繼電器10(p1.2位控制)和電子門12，接著觸發(fā)信號發(fā)生器5(p1.1位控制)，使之發(fā)出脈寬為5us的矩形脈沖。同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。由于低頻換能器的測量盲區(qū)比較大(＜＜35cm)，因此罐底壁與水面回波以及水-油界面回波一般均在測量盲區(qū)以內(nèi)，為了不影響測量，單片機(jī)在測量盲區(qū)內(nèi)，不接收任何回波信號。故單片機(jī)在延時(shí)35us后，才控制打開電子門12，允許回波信號到達(dá)放大電路，信號經(jīng)放大整形后，引起單片機(jī)中斷。單片機(jī)讀取此時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)，這時(shí)測得的時(shí)間即為t1。在t1測量完成以后，單片機(jī)根據(jù)H＝co(t1-t2)/2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可求得油罐液位高度，為了減小測量時(shí)的隨機(jī)誤差，裝置一次進(jìn)行五個(gè)周期的測量，以五次測量的平均值作為液面高度H的實(shí)際測量值。
本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1.測量精度高。裝置采用兩個(gè)超聲換能器進(jìn)行測量，以兩個(gè)換能器測得的時(shí)間差作為超聲波在待測液體中的傳播時(shí)間，在測時(shí)間t1和t2時(shí)，二次儀表帶來的誤差是相同的，因此較好地消除了測量儀表系統(tǒng)的誤差和由于溫度、濕度變化以及元件老化引起的誤差，對于罐底有水及沉積污物的情況，由于求時(shí)間差時(shí)已將其影響抵銷，故不影響液位測量精度。
2.安裝方式簡單、易于維護(hù)。因?yàn)閾Q能器安裝在罐底部外壁，不需要其它附加裝置和設(shè)備，安裝時(shí)不影響罐的運(yùn)行與操作。同時(shí)由于換能器采用油脂進(jìn)行固定安裝，維護(hù)和保養(yǎng)都很方便。
3.操作簡單方便。本實(shí)用新型操作不需要知道罐底壁的厚度、材料以及其它參數(shù)，液體介質(zhì)的超聲波傳播速度也事先存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部，并可通過附加溫度接口，實(shí)現(xiàn)對聲速溫度的自動(dòng)校正。用戶操作時(shí)，只需按下控制開關(guān)，單片機(jī)便自動(dòng)進(jìn)行測量控制、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示，操作十分簡便。
權(quán)利要求1.一種儲(chǔ)油罐超聲液位測量裝置，它包括換能器[1]、[2]及二次儀表[3]，換能器和二次儀表之間用高頻電纜連接，二次儀表[3]包括信號發(fā)生器[5]，連接信號發(fā)生器的放大電路[6]，連接放大電路的整形電路[7]，連接單片機(jī)的計(jì)數(shù)器[8]，連接整形電路、信號發(fā)生器及計(jì)數(shù)器的單片機(jī)系統(tǒng)[9]，連接放大器輸入端的電子門[12]，一端連接換能器，另一端連接信號發(fā)生器及放大電路的繼電器[10]、[11]其特征是在儲(chǔ)油罐底部平行地安裝一低頻換能器[1]和一高頻換能器[2]；信號發(fā)生器[5]由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和功率放大電路組成，兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分別由單片機(jī)的P1口的P1.0位和P1.1位控制觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度由外接的電阻、電容決定，其輸出的脈沖經(jīng)二極管到達(dá)功率放大電路，該電路輸出的脈沖信號經(jīng)繼電器[10]或[11]激發(fā)換能器[2]或[1]。
專利摘要本實(shí)用新型是儲(chǔ)油罐超聲液位測量裝置,它解決了傳統(tǒng)超聲液位儀測量精度低,測試不方便的問題,本裝置在油罐底部安裝一低頻換能器和一高頻換能器,利用兩者超聲波傳播的時(shí)間差測量液位高度,使測量不受罐底厚度及水等沉積物的影響,測量精度高,此裝置可用于石油、化工部門測試易燃、易爆、有毒、有腐蝕性的液位高度。
文檔編號G01F23/296GK2288425SQ9623312
公開日1998年8月19日 申請日期1996年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月18日
發(fā)明者劉偉華, 涂亞慶, 李建樹 申請人:中國人民解放軍后勤工程學(xué)院