本發(fā)明涉及罐體液位測量、報(bào)警領(lǐng)域，具體是一種自校準(zhǔn)的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，在容器外邊安裝的液位開關(guān)，有外貼式液位開關(guān)、外測式液位開關(guān)等。其工作原理是，在容器側(cè)壁外側(cè)需要檢測液位的監(jiān)測點(diǎn)處安裝測量頭，測量頭向容器壁內(nèi)發(fā)射超聲波，超聲波進(jìn)入容器壁內(nèi)部后會在容器壁的內(nèi)、外表面之間來回反射多次而形成余振信號。超聲波從容器內(nèi)壁進(jìn)入液體的聲壓透射系數(shù)：

式中，z1為容器壁材料的特性阻抗，z1＝ρ1c1，其中ρ1為容器壁材料的密度，c1為容器壁材料的聲速；z2為容器內(nèi)介質(zhì)的特性阻抗，z2＝ρ2c2，其中ρ2為容器內(nèi)介質(zhì)的密度，c2為容器內(nèi)介質(zhì)的聲速。

以容器壁的常用材料鋼板為例，假設(shè)溫度為20℃，容器內(nèi)的液體為水，則根據(jù)鋼的特性阻抗z＝4.80×10⁷kg/(m²s)，水的特性阻抗z＝1.48×10⁶kg/(m²s)，空氣的特性阻抗z＝415kg/(m²s)，可以計(jì)算得到，當(dāng)液位低于換能器安裝位置(即管壁內(nèi)的介質(zhì)為空氣)時，d≈0.00％，而當(dāng)液位超過高于換能器安裝位置(即管壁內(nèi)的介質(zhì)為水)時，d＝5.98％。有液和無液的聲壓透射系數(shù)相差約為6％，因此，當(dāng)容器內(nèi)液面低于監(jiān)測點(diǎn)時，由于透射系數(shù)d＝0，超聲波在容器壁的內(nèi)、外表面之間來回反射的次數(shù)會比較多，能量損失會比較慢，余振信號波的個數(shù)會比較多。而當(dāng)容器內(nèi)液面高于監(jiān)測點(diǎn)時，由于存在聲波在液體介質(zhì)中的聲透射，超聲波在容器壁的內(nèi)、外表面之間來回反射的次數(shù)會比較少，能量損失會比較快，余振信號波的個數(shù)會比較少?？梢酝ㄟ^容器壁中余振信號的強(qiáng)弱來判斷液位。

現(xiàn)有技術(shù)中，在容器外安裝液位開關(guān)的測量方法是檢測超聲波在容器壁內(nèi)部的余振信號，對發(fā)射超聲波信號一段時間后余振信號的幅值(簡稱信號值v信)與設(shè)定的幅值(簡稱設(shè)定值v設(shè))進(jìn)行比較，當(dāng)信號值v信大于設(shè)定值v設(shè)時判定為液位低于監(jiān)測點(diǎn)，而當(dāng)信號值v信小于設(shè)定值v設(shè)時判定為液位高于監(jiān)測點(diǎn)。由于罐體內(nèi)壁表面變稠的粘附層、液體溫度、罐體外環(huán)境溫度等會發(fā)生變化，使得安裝后信號值v信變化大，不穩(wěn)定性，誤動率高，工作穩(wěn)定性和可靠性差。而且，由于信號的幅值與每一個罐體的罐壁材質(zhì)、壁厚、液體成分和溫度等有關(guān)，不同罐體上的v信差別很大，需要對每個罐體進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，人工調(diào)整設(shè)定值v設(shè)，安裝調(diào)試工作量很大，效率低，使用壽命約為2-6個月，致使實(shí)際上不能長期使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種通過校準(zhǔn)探頭信號幅值與高低位測量探頭信號幅值的比值變化來判斷是否有液的自校準(zhǔn)的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)，解決了目前外部安裝測量的液位開關(guān)誤動率高，工作穩(wěn)定性、可靠性差和在現(xiàn)場使用中需要人工定期標(biāo)定調(diào)校，安裝調(diào)試工作量很大、效率低的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種自校準(zhǔn)的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)，包括外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)、校準(zhǔn)探頭、高位測量探頭和低位測量探頭，所述校準(zhǔn)探頭安裝在罐體液位不能到達(dá)的空液位置或液位不會放空的有液位置的外部，高位測量探頭安裝在罐體外部上部的高位報(bào)警點(diǎn)，低位測量探頭安裝在罐體外部下部的低位報(bào)警點(diǎn)；校準(zhǔn)探頭、高位測量探頭和低位測量探頭均與外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)相連接。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述校準(zhǔn)探頭、高位測量探頭和低位測量探頭均為超聲波探頭。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述校準(zhǔn)探頭或高位測量探頭或低位測量探頭表面的耦合劑流失到一段程度時，探頭的信號減弱到一定程度時，外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)會發(fā)出一個故障信號給控制系統(tǒng)。

一種基于權(quán)利要求1所述的自校準(zhǔn)外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟：

步驟一、吸附在罐體外壁的校準(zhǔn)探頭、高位測量探頭和低位測量探頭分別發(fā)射并采集罐壁內(nèi)反射回來的信號；

步驟二、外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)接收校準(zhǔn)探頭、高位測量探頭和低位測量探頭的信號，校準(zhǔn)探頭的信號為：v校準(zhǔn)，高位測量探頭的信號為：v高，低位測量探頭的信號為：v低；

步驟三、根據(jù)v校準(zhǔn)、v高和v低得出高位信號比值和低位信號比值，高位信號比值＝v高/v校準(zhǔn)，低位信號比值＝v低/v校準(zhǔn)；

步驟四、判斷有液無液：如果高位信號比值或者低位信號比值高于設(shè)定比值，就被判斷為無液。如果高位信號比值或者低位信號比值低于設(shè)定比值，就被判斷為有液。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：步驟三中校準(zhǔn)探頭的信號、高位測量探頭的信號和低位測量探頭的信號傳輸?shù)酵赓N超聲波液位開關(guān)主機(jī)1處理后分別在液晶屏上顯示，計(jì)算高位信號比值和低位信號比值后在儀表主體液晶屏上顯示；根據(jù)液晶屏上顯示的信號，設(shè)定比值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明通過校準(zhǔn)探頭信號與高低位測量探頭信號的幅度比值變化來判斷是否有液，可以有效的消除材質(zhì)、厚度、溫度、耦合層流失對信號及液位測量的影響。實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的測量；不再需要頻繁標(biāo)定設(shè)定值，安裝調(diào)試工作量小，效率高，不需要進(jìn)行頻繁的調(diào)試。

2.另外本發(fā)明中探頭的信號幅度大小對于測量罐內(nèi)是否有液的影響較小，提高了系統(tǒng)的使用壽命和穩(wěn)定性。

3.對于現(xiàn)有技術(shù)，采用的是探頭接收信號幅值v信與設(shè)定幅值v設(shè)相比較的方法，當(dāng)信號值v信大于設(shè)定值v設(shè)時判定為液位低于監(jiān)測點(diǎn)，而當(dāng)信號值v信小于設(shè)定值v設(shè)時判定為液位高于監(jiān)測點(diǎn)。從如圖1可以看出，雖然在相同溫度下，有液和無液時的信號有明顯的區(qū)別，可以通過設(shè)定合適的設(shè)定值v設(shè)實(shí)現(xiàn)該溫度下的有效測量，但是如果溫度發(fā)生變化，有液和無液時的信號值v信也會發(fā)生變化，在不改變設(shè)定值v設(shè)的情況下就容易導(dǎo)致液位判斷的錯誤；同樣的，如果介質(zhì)發(fā)生變化，也會引起有液和無液時信號值v信的變化，在不改變設(shè)定值v設(shè)的情況下容易導(dǎo)致液位判斷的錯誤。因此，現(xiàn)有技術(shù)存在測量范圍窄，需要經(jīng)常根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)試等缺點(diǎn)。而本發(fā)明采用的是高位信號比值v高/v校準(zhǔn)和低位信號比值v低/v校準(zhǔn)與設(shè)定比值相比較的方法，當(dāng)高位信號比值或者低位信號比值高于設(shè)定比值時判定為液位低于監(jiān)測點(diǎn)，而當(dāng)高位信號比值或者低位信號比值低于設(shè)定比值時判定為液位高于監(jiān)測點(diǎn)。由于安裝在同一罐體上的校準(zhǔn)探頭、高位測量探頭和低位測量探頭的溫度基本相同，因此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對溫度、介質(zhì)變化等引起的信號變化的自動補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)及寬溫度變化范圍下的有效準(zhǔn)確測量。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)接收信號的溫度影響比較；

圖3為現(xiàn)有的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)接收信號的材質(zhì)影響比較；

圖4為現(xiàn)有的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)接收信號的罐體壁厚影響比較；

圖5為自校準(zhǔn)的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖(以空液校準(zhǔn)探頭為例)；

圖6為自校準(zhǔn)的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)的40℃溫度下測量結(jié)果；

圖7為自校準(zhǔn)的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)的-40℃溫度下測試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

請參閱圖1-7，一種自校準(zhǔn)的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)，包括外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)1、校準(zhǔn)探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4，所述校準(zhǔn)探頭2安裝在罐體液位不能到達(dá)的空液位置或液位不會放空的有液位置的外部，高位測量探頭3安裝在罐體的外部上部的高位報(bào)警點(diǎn)，低位測量探頭4安裝在罐體的外部下部的低位報(bào)警點(diǎn)；校準(zhǔn)探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4均與外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)1相連接。

上述，校準(zhǔn)探頭2的作用，主要實(shí)現(xiàn)對以下因素進(jìn)行自動補(bǔ)償：內(nèi)壁表面變稠的粘附層、液體介質(zhì)變化、液體溫度變化、罐壁溫度變化引起的信號幅度變化。

上述，校準(zhǔn)探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4均為超聲波探頭，分別發(fā)射和采集罐壁內(nèi)反射回來的信號。

上述，罐體可以是球型罐、臥式罐、立式罐或過程罐。

基于上述系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟：

步驟一、吸附在罐體外壁的校準(zhǔn)探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4分別發(fā)射和采集罐壁內(nèi)反射回來的信號；

步驟二、外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)接收校準(zhǔn)探頭、高位測量探頭和低位測量探頭的信號，校準(zhǔn)探頭的信號為：v校準(zhǔn)，高位測量探頭的信號為：v高，低位測量探頭的信號為：v低；

步驟三、根據(jù)v校準(zhǔn)、v高和v低得出高位信號比值和低位信號比值，高位信號比值＝v高/v校準(zhǔn)，低位信號比值＝v低/v校準(zhǔn)。

上述，校準(zhǔn)探頭的信號、高位測量探頭的信號和低位測量探頭的信號傳輸?shù)酵赓N超聲波液位開關(guān)主機(jī)1處理后分別在液晶屏上顯示，計(jì)算信號的幅度比值后在儀表主體液晶屏上顯示。

根據(jù)液晶屏上顯示的信號，設(shè)定信號幅度的比值即設(shè)定比值。

步驟四、判斷有液無液：如果高位信號比值或者低位信號比值高于設(shè)定比值，就被判斷為無液，可以判斷高位測量探頭或低位測量探頭所在高度的罐體內(nèi)無液；如果高位信號比值或者低位信號比值低于設(shè)定比值，就被判斷為有液，可以判斷高位測量探頭或低位測量探頭所在高度的罐體內(nèi)有液。

高位或低位信號在液位上升或者下降時會發(fā)生變化，有液位到達(dá)或者漫過探頭位置時信號會下降，液位降到探頭下方之后信號會上升恢復(fù)到之前的信號強(qiáng)度。

現(xiàn)有技術(shù)中外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)由儀表主機(jī)1、高位探頭2、低位探頭3組成，由于容器內(nèi)壁表面變稠的粘附層以及液體溫度、罐壁溫度的變化會引起接收信號幅度的變化，使得即使是在液位不變的情況下，安裝后探頭的信號值v信變化大，不穩(wěn)定性、誤動率高，工作穩(wěn)定性和可靠性差。而且，由于信號的幅值與每一個罐體的罐壁材質(zhì)、壁厚、液體成分和溫度等有關(guān)，不同罐體上的v信差別很大，需要對每個罐體進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，人工調(diào)整設(shè)定值v設(shè)，安裝調(diào)試工作量很大，效率低，使用壽命約為2-6個月，致使實(shí)際上不能長期使用。

如圖2為現(xiàn)有的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)接收信號的溫度影響比較圖，是在壁厚40mm，材質(zhì)為碳鋼的同一無液空罐上，溫度分別為40℃和-40℃下的測試結(jié)果。通過對比可明顯發(fā)現(xiàn)其它工況不變情況下溫度對探頭測量信號的影響。

如圖3為現(xiàn)有的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)接收信號的材質(zhì)影響比較圖，是在壁厚為10mm，材質(zhì)分別為碳鋼和有機(jī)玻璃的罐體上，相同溫度下測得的結(jié)果，通過對比可明顯發(fā)現(xiàn)材質(zhì)對探頭測量信號的影響。

如圖4為現(xiàn)有的外貼超聲波液位開關(guān)測量系統(tǒng)接收信號的罐體壁厚影響比較圖，是在材質(zhì)為碳鋼，壁厚分別為10mm和60mm的罐體上，相同溫度下測試的結(jié)果，通過對比可明顯發(fā)現(xiàn)厚度對探頭測量信號的影響。

本發(fā)明的原理是：將校準(zhǔn)探頭2得到的同一溫度下的液位狀態(tài)已知的接收采集信號作為校準(zhǔn)信號，與高位測量探頭3和低位測量探頭4的信號做比對，從而克服溫度變化引起的信號幅度變化對液位測量的影響，實(shí)現(xiàn)-40℃～100℃寬溫度變化范圍內(nèi)的有效測量。

本發(fā)明判斷液位的有無不是直接通過測量信號幅值v和設(shè)定值v之間的比較來實(shí)現(xiàn)，而是通過高位測量探頭3與校準(zhǔn)探頭2的信號比值或低位測量探4頭與校準(zhǔn)探頭2的信號比值和設(shè)定比值之間的比較來實(shí)現(xiàn)。由于比較的是同一溫度狀態(tài)下的波形，因此，無論是有液或無液，在液位狀態(tài)不變的情況下，高位信號比值或低位信號比值基本上不隨溫度的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的自動補(bǔ)償，保證了液位測量判斷的正確性，從圖6和圖7的測量結(jié)果可以看出，40℃和-40℃時的高位信號比值和低位信號比值基本不變，證明了這一測量方法的正確性及有效性。

本發(fā)明的解決方案是：

根據(jù)接收信號的幅值v判斷耦合劑的流失程度或耦合狀況，當(dāng)探頭的信號減弱到一定程度時，外貼超聲波液位開關(guān)主機(jī)1發(fā)出一個故障信號給控制系統(tǒng)，提醒用戶給探頭增加耦合劑。

上面對本專利的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本專利并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下作出各種變化。