專利名稱：沖擊回波式液/料位探測技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種關(guān)于容器液/料位的連續(xù)測量及定點(diǎn)監(jiān)測方法。
對于儲(chǔ)液容器的液位測量，目前都采用浮子法或差壓法，還有利用磁致伸縮、超聲波、電容、射頻導(dǎo)納、微波雷達(dá)、光纖、輻射等方法，及音叉、振弦等基于頻率或幅值的振動(dòng)式測量方法。除輻射法外，上述方法都屬于接觸式測量，其儀器部件必需安裝在容器內(nèi)部，要么與液體介質(zhì)接觸，要么與容器內(nèi)部上層空間的氣相(如腐蝕性氣體、粉塵)接觸。因此，測量結(jié)果必然受容器內(nèi)部工況、介質(zhì)物性的影響。例如高粘度介質(zhì)的粘結(jié)，會(huì)造成浮子動(dòng)作失靈。而且，在不中斷容器工作的前提下，儀器部件的拆裝都非常困難，常因無法修復(fù)故障，使其工作壽命縮短。輻射法雖屬非接觸式測量，但會(huì)產(chǎn)生輻射污染，使用的很少。
對于儲(chǔ)存固態(tài)、粉末介質(zhì)(如糧食、粉塵)的容器的料位測量，目前多采用超聲波、電容、射頻導(dǎo)納、微波雷達(dá)、輻射等方法。但因它們都是接觸式測量，同樣會(huì)受到工況、物性影響且難于維修。例如粉塵堆積在電極上，會(huì)導(dǎo)致電容式料位測量方法失效。
上述各種方法都是連續(xù)測量液/料位，得出定量的液/料位高度。而其中的浮子、音叉、插入桿等方法還可用于定點(diǎn)監(jiān)測液/料位，定性地判斷液/料位是否達(dá)到了標(biāo)識(shí)高度。這些接觸式測量方法用在定點(diǎn)監(jiān)測的場合，仍然會(huì)存在上述缺陷。
本發(fā)明的目的在于給出一種利用沖擊波、并分析波形中含有的回波成分，在儲(chǔ)液/料容器外部探測其內(nèi)液/料面位置的沖擊回波式液/料位探測技術(shù)。
本發(fā)明基于波的反射/折射傳播機(jī)理。對容器外壁進(jìn)行激振，所產(chǎn)生的沖擊波在容器內(nèi)壁上的反射系數(shù)與介質(zhì)接觸狀況有關(guān)。氣相波阻抗遠(yuǎn)小于金屬器壁的波阻抗，故在液/料位之上，內(nèi)壁反射系數(shù)很大，沖擊回波很強(qiáng)；液(固)相介質(zhì)的波阻抗接近于金屬器壁的波阻抗，故在液/料位之下，內(nèi)壁折射系數(shù)大，反射系數(shù)很小，沖擊回波幾乎全部消失；在液/料位附近，是一個(gè)過渡區(qū)，回波存在但較弱。
連續(xù)測量液/料位時(shí)，先從容器頂部開始，用激振器在器壁外側(cè)激振，產(chǎn)生沖擊，同時(shí)用拾振器同步拾取沖擊波形，計(jì)算機(jī)對沖擊波形進(jìn)行等周期采樣，再利用小波變換將波形分解成一系列時(shí)/頻域分布系數(shù)，然后利用小波重構(gòu)算法得到原始波形的各階逼近波形。由于沖擊回波的存在，其中某一階逼近波形中必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，即特征峰；激振器沿器壁向下移動(dòng)一定距離，再進(jìn)行激振、拾振、采樣、分解、重構(gòu)過程，其中某一階逼近波形中再次出現(xiàn)特征峰，當(dāng)仍有特征峰出現(xiàn)時(shí)就繼續(xù)下移，進(jìn)行激振、拾振、采樣、分解、重構(gòu)過程，直到逼近波形中的特征峰消失，說明該點(diǎn)的沖擊波形中已沒有回波成分，表明激振器已經(jīng)下降到了液/料位之下，即到達(dá)了液/料面位置。測出激振器下降的總高度，并由容器總高度中減去這個(gè)下降高度，就是液/位的高度。
連續(xù)測量液/料位時(shí)，也可從容器底部開始，自下而上重復(fù)激振、拾振、采樣、分解、重構(gòu)過程。當(dāng)逼近波形中的特征峰從無到有時(shí)，就說明激振器已經(jīng)上升到了液/料面位置。測出激振器上升的總高度，就是液/料位的高度。
本發(fā)明不僅可以對儲(chǔ)液/料容器內(nèi)的液/料位進(jìn)行連續(xù)測量，而且可以進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測。例如對液/料位進(jìn)行溢位監(jiān)測和限位監(jiān)測。此時(shí)，激振器被固定安裝在器壁外的溢位口或限位口，即標(biāo)識(shí)點(diǎn)處。不斷地對器壁激振、拾振、采樣、小波分解、重構(gòu)，若重構(gòu)后的某一階逼近波形中總存在特征峰，表明液/料面尚未上升或下降到標(biāo)識(shí)點(diǎn)高度；若特征峰消失了，表明液/料面已經(jīng)上升甚至超過了標(biāo)識(shí)點(diǎn)高度。這樣，就能在容器外部定點(diǎn)、定性地監(jiān)測容器內(nèi)液/料面狀態(tài)了。
本發(fā)明為了對容器的液/料位進(jìn)行連續(xù)測量，設(shè)計(jì)了一種液/料位探測裝置，主要包括計(jì)算機(jī)1、驅(qū)動(dòng)電路2、位置伺服機(jī)構(gòu)3和測試架4等四個(gè)單元。其中位置伺服機(jī)構(gòu)單元由電機(jī)、導(dǎo)軌和傳送帶組成。測試架單元由激振器4-1和拾振器4-2組成。首先由計(jì)算機(jī)1發(fā)出指令信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路2放大，驅(qū)動(dòng)位置伺服機(jī)構(gòu)3，并拖動(dòng)測試架4沿器壁一步一步上下爬動(dòng)。當(dāng)爬動(dòng)完一步后，測試架4內(nèi)的激振器4-1對容器外壁實(shí)施沖擊，并由測試架內(nèi)的拾振器4-2拾取沖擊波形。然后將波形送入計(jì)算機(jī)1，由計(jì)算機(jī)對波形采樣、分解和重構(gòu)，分析是否存在特征峰，判斷激振點(diǎn)位于液/料面之上還是之下。最后由計(jì)算機(jī)決定測試架繼續(xù)爬動(dòng)或是停止爬動(dòng)。重復(fù)上述過程，直到特征峰從無到有、或從有到無，在這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的激振器位置就是液/料面位置。
本發(fā)明用于定點(diǎn)監(jiān)測液/料位時(shí)，采用的液/料位探測裝置包括計(jì)算機(jī)1和測試架4。測試架4固定安裝在容器外壁的標(biāo)識(shí)點(diǎn)上。計(jì)算機(jī)1不斷地驅(qū)動(dòng)激振器4-1對器壁實(shí)施激振，同時(shí)由拾振器4-2拾取沖擊波形，經(jīng)計(jì)算機(jī)采樣、小波分解和重構(gòu)后，尋找某一階逼近波形中是否含特征峰。若不含特征峰，表明液/料位低于標(biāo)識(shí)點(diǎn)；若存在特征峰，表明液/料位高于標(biāo)識(shí)點(diǎn)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了對液/料位的定點(diǎn)、定性監(jiān)測。
本發(fā)明采用的小波分解和重構(gòu)過程如下。設(shè)對沖擊波形f(t)等周期采樣后的離散信號(hào)為f(k)(k為整數(shù))。取Co，k＝f(k)，按Mallat快速迭代公式，沖擊波形的小波分解算法如下Cj+1,k=Σm∈Zhm-2kCj,m----(1)]]>Dj+1,k=Σm∈Zgm-2kCj,m----(2)]]>其中hk、gk是小波函數(shù)固有的系數(shù)，Cj，m、Dj，m是信號(hào)f(k)的時(shí)/頻域分布系數(shù)。對固定j下的一組系數(shù)Cj，m及一組系數(shù)Dj，m(m取整數(shù))，小波重構(gòu)算法如下aj,k=Σm∈Zhk-2mCj,m----(3)]]>dj,k=Σm∈Zgk-2mDj,m----(4)]]>aj，k反映f(k)在2j時(shí)間分辨率下的“逼近”，描繪成圖后就是“逼近波形”。
本發(fā)明能夠?qū)饘俦と萜鞯囊?料位進(jìn)行非接觸式測量或監(jiān)測。由于儀器不與容器內(nèi)部接觸，故克服了現(xiàn)有儀器的缺陷。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.成功地將沖擊回波測試技術(shù)用于識(shí)別、判定液面位置。在容器壁外輕度激振，測取沖擊響應(yīng)信號(hào)，通過先進(jìn)的小波分析，提取回波特征峰，進(jìn)而探測、判斷液面位置。
2.在機(jī)理方面，首次將波的反射、透射原理用于識(shí)別激振點(diǎn)與液體的毗鄰狀態(tài)，并將回波特征峰作為狀態(tài)識(shí)別的依據(jù)，從而為這種液位測量提供了理論基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)處理手段方面，首次將小波變換用于分析沖擊響應(yīng)，準(zhǔn)確提取出了回波特征峰，克服了傳統(tǒng)FFT分析的局限性。
3.所用儀器部件都安裝在容器外部，實(shí)現(xiàn)了完全不接觸式測量。因此，儀器不受容器內(nèi)部惡劣工況的侵蝕，便于拆裝維修，這對于大型儲(chǔ)液罐來說，將從根本上解決以往接觸式儀表(如浮子法、壓差法等)易出故障、維修特別困難的問題。而且，測量結(jié)果與容器內(nèi)部工況、物性無關(guān)，有利于提高精度。
附

圖1為液位判斷的流程圖。
附圖2為液/料位探測系統(tǒng)簡示圖。
附圖3為液料位探測系統(tǒng)中的激振器簡示圖。
附圖4為沖擊波形、第3階逼近波形及回波特征峰簡示圖。其中a為在液面上方、器壁外側(cè)激振時(shí)的沖擊波形；b為在液面下方、器壁外側(cè)激振時(shí)的沖擊波形；c為a波形的第3階逼近波形，A為特征峰；d為b波形的第3階逼近波形，B處無特征峰。
本發(fā)明可按下述方案進(jìn)一步實(shí)施。以連續(xù)測量液位為例。測量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、伺服機(jī)構(gòu)和測試架四個(gè)單元組成。首先，計(jì)算機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出指令，伺服機(jī)構(gòu)拖動(dòng)測試架沿導(dǎo)軌到達(dá)容器外壁上的某個(gè)高度。然后，測試架上的激振器向器壁實(shí)施激振。激振器部分，外殼4-2-3內(nèi)主要設(shè)有撞針4-2-1、鐵芯4-2-2、電磁鐵4-2-4、復(fù)位彈簧4-2-5和減震墊4-2-6。電磁鐵4-2-4中間設(shè)置一鐵芯4-2-2，撞針4-2-1與鐵芯4-2-2、復(fù)位彈簧4-2-5連接在一起，復(fù)位彈簧4-2-5后設(shè)置一個(gè)降低噪音、減小震動(dòng)的減震墊4-2-6。電磁鐵4-2-4在脈沖電流作用下，將鐵芯4-2-2帶動(dòng)撞針4-2-1迅速擊出；脈沖電流消失后，在復(fù)位彈簧4-2-5作用下，撞針4-2-1復(fù)位。以0.5ms脈寬將φ0.2mm鋼針激出，沖擊容器外壁，可以測得一列沖擊波形。采用2階Daubechies小波，其系數(shù)為h0＝0.4829629131445341，h1＝0.8365163037378077，h2＝0.2241438680420134，h3＝-0.1294095225512603gk＝(-1)k-1h1-k計(jì)算機(jī)對沖擊波形采樣后，按公式(1)～(2)進(jìn)行小波分解，然后按公式(3)～(4)進(jìn)行小波重構(gòu)，重構(gòu)后的第3階逼近波形中存在特征峰，表明激振點(diǎn)位于液/料面之上；若沒有出現(xiàn)特征峰，表明激振點(diǎn)位于液/料面之下。經(jīng)多點(diǎn)測試后，液位測量結(jié)果如下表1液位測試數(shù)據(jù)單位cm
權(quán)利要求
1.一種沖擊回波式液料位探測技術(shù)，其特征在于連續(xù)測量液/料位時(shí)，先從容器頂部開始，用激振器在器壁外側(cè)激振，產(chǎn)生沖擊，同時(shí)用拾振器同步拾取沖擊波形，計(jì)算機(jī)對沖擊波形進(jìn)行等周期采樣，再利用小波變換將波形分解成一系列時(shí)/頻分布系數(shù)，然后利用小波重構(gòu)算法得到原始波形的各階逼近波形，其中某一階逼近波形中必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，即特征峰；激振器沿器壁向下移動(dòng)一定距離，再進(jìn)行激振、拾振、采樣、分解、重構(gòu)過程，其中某一階逼近波形中再次出現(xiàn)特征峰，當(dāng)仍有特征峰出現(xiàn)時(shí)就繼續(xù)下移，進(jìn)行激振、拾振、采樣、分解、重構(gòu)過程，直到逼近波形中的特征峰消失，說明該點(diǎn)的沖擊波形中已沒有回波成分，表明激振器已經(jīng)下降到了液/料位之下，即到達(dá)了液/料面位置；測出激振器下降的總高度，并由容器總高度減去這個(gè)下降高度，就是液/料位的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊回波式液/料位探測技術(shù)，其特征在于進(jìn)行溢位監(jiān)測和限位監(jiān)測時(shí)，激振器破固定安裝在器壁外的溢位口或限位口、即標(biāo)識(shí)點(diǎn)處，不斷地對器壁激振、拾振、采樣、小波分解、重構(gòu)，若重構(gòu)后的某一階逼近波形中總存在特征峰，表明液/料面尚未上升或下降到標(biāo)識(shí)點(diǎn)高度若特征峰消失了，表明液/料面已經(jīng)上升甚至超過了標(biāo)識(shí)點(diǎn)高度。
3.一種沖擊回波式液料位探測激振器，其特征在于外殼(4-2-3)內(nèi)主要設(shè)有撞針(4-2-1)、鐵芯(4-2-2)、電磁鐵(4-2-4)、復(fù)位彈簧(4-2-5)、減震墊(4-2-6)，電磁鐵(4-2-4)中間設(shè)置一鐵芯(4-2-2)，撞針(4-2-1)與鐵芯(4-2-2)、復(fù)位彈簧(4-2-5)連接在一起，復(fù)位彈簧(4-2-5)后設(shè)置一個(gè)降低噪音、減小震動(dòng)的減震墊(4-2-6)，電磁鐵(4-2-4)在脈沖電流作用下，將鐵芯(4-2-2)帶動(dòng)撞針(4-2-1)迅速擊出，脈沖電流消失后，在復(fù)位彈簧(4-2-5)作用下，撞針(4-2-1)復(fù)位。
全文摘要
一種沖擊回波式液/料位探測技術(shù)及液/料位開關(guān),用于對大型儲(chǔ)液/料容器中液/料位的連續(xù)測量及定點(diǎn)監(jiān)測。本發(fā)明首次將波的反射傳播機(jī)理用于液/料位測量,一方面將沖擊回波測試技術(shù)用于識(shí)別、判定液/料面位置,實(shí)現(xiàn)了非接觸式測量;另一方面采用了小波時(shí)/頻分析方法處理沖擊回波信號(hào),克服了傅立葉變換法處理數(shù)據(jù)信號(hào)所存在的缺陷。
文檔編號(hào)G01F23/296GK1261661SQ9911446
公開日2000年8月2日 申請日期1999年9月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月27日
發(fā)明者黃惟一, 張朝暉, 宋愛國, 王愛民, 曹效英 申請人:東南大學(xué)