專利名稱：儲油罐超聲液位測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及油罐液位測量，屬于計量檢測類產品。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行測量。儲油罐超聲液位測量裝置主要由換能器和二次儀表組成。
上海自動化儀表五廠生產了一種YCS型數字式超聲波液位計，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，構成是把一換能器裝在容器底部，在儀器產生信號激勵換能器發(fā)射超聲波的同時，令儀器內的計數器開始計數，當超聲波經液面反射回到換能器時，換能器將回波信號轉換成電信號，此信號經處理后關閉計數器，這樣就測出聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時間，根據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間，在油罐底部有沉積污物時，測量精度進一步降低。
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種測量精度高、安裝使用方便的儲油罐超聲液位測量裝置。
本實用型的目的可以通過以下技術方案來達到本實用新型包括換能器[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]，連接單片機的計數器[8]，連接整形電路、信號發(fā)生器及計數器的單片機系統(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]由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和功率放大電路組成，兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分由單片機的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，其輸出的脈沖經二極管到達功率放大電路，該電路輸出的脈沖信號經繼電器[10]或[11]激發(fā)換能器[2]或[1]。
本實用新型利用超聲波測量油罐液位的根據是因超聲波的傳播距離H由其傳播時間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間和傳播速度，就可確定罐內儲油的高度H。超聲波在介質中傳播時，其信號衰減與頻率成正比，即頻率越低，信號衰減越小；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(測量基準點)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點到油—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，這樣罐內所裝石油產品的液位高H為H＝H1-H2＝(Coto)/2(4)因為低頻換能器1測得的時間t1由下式決定t1＝ts+tw+to(5)高頻換能器2測得的時間t2由下式決定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換能器超聲波的往返傳播時間，根據石油產品中超聲波傳播速度，就可計算出油罐中的液位，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.計數器 9. 8031單片機系統(tǒng) 10.繼電器 11.繼電器12.電子門 13.晶體振蕩器
以下結合附圖詳細說明本實用新型裝置的細節(jié)及工作情況。
兩個超聲換能器采用價格低廉、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9等組成。為了提高計數頻率，減少計時誤差，不采用單片機內部的計數器，而在單片機外接計數器8。單片機采用8031單片機，由74LS373、EPROM2732等組成最小應用系統(tǒng)，外接一片8155可編程I/O口。計數器8采用計數頻率為10MHZ的8254。電子門采用4066雙向開關，繼電器10.11采用北京光電器件廠生產的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p1口的p1.0和p1.1位控制。當其中一位發(fā)出正向脈沖(由低到高)時，對應的觸發(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間t2是這樣測量的單片機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)，同時斷開通往放大電路的電子門12(p1.4位控制)。然后由單片機(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，單片機在發(fā)出脈沖控制信號的同時，啟動計數器8。經過2us的延時后，單片機控制開啟電子門12。高頻換能器在脈沖激勵下，發(fā)出頻率為2MHZ的超聲波，超聲波到達罐底內表面與液體分界面時，一部分以回波的形式返回換能器，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，將其轉換為電信號，信號通過電子門12到達信號放大電路6，放大電路采用超低漂移運算放大器F7650，經兩級放大后，其放大倍數可達80-120db，放大后的信號進入整形電路7，整形電路用兩級運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脈寬基本相等、幅值相同的矩形脈沖，以適合單片機控制需要，為提高整形效果，本實用新型選用了轉換速率高(13v/us)的雙運放LF353，整形后的信號到達單片機INTO位，引起單片機中斷，單片機中斷后，讀取計數器8中的數據，這時測得的時間即為超聲波在罐底中的往返傳播時間ts。在一部分超聲波信號透過罐底壁與液體分界面進入液體中傳播時，如果罐底沉積有水，信號在到達水一油分界面時，同樣會有回波信號返回換能器，此信號經放大整形后，由單片機中斷讀取計數器中的數據，這時測得的時間即是由ts和水中超聲波往返傳播時間tw組成的t2。如果罐底沒有水，即高頻換能器在一定時間內收不到水-油回波信號時，單片機將第一次讀取的數值作為t2，這時即有ts＝t2。
在t2測量完成后，系統(tǒng)開始測量從換能器安裝點(測量參考點)到油-氣界面的超聲波往返傳播時間t1。單片機先初始化計數器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，啟動計數器開始計數。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，為了不影響測量，單片機在測量盲區(qū)內，不接收任何回波信號。故單片機在延時35us后，才控制打開電子門12，允許回波信號到達放大電路，信號經放大整形后，引起單片機中斷。單片機讀取此時計數器中的數據，這時測得的時間即為t1。在t1測量完成以后，單片機根據H＝co(t1-t2)/2進行數據處理，即可求得油罐液位高度，為了減小測量時的隨機誤差，裝置一次進行五個周期的測量，以五次測量的平均值作為液面高度H的實際測量值。
本實用新型相比現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點1.測量精度高。裝置采用兩個超聲換能器進行測量，以兩個換能器測得的時間差作為超聲波在待測液體中的傳播時間，在測時間t1和t2時，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，由于求時間差時已將其影響抵銷，故不影響液位測量精度。
2.安裝方式簡單、易于維護。因為換能器安裝在罐底部外壁，不需要其它附加裝置和設備，安裝時不影響罐的運行與操作。同時由于換能器采用油脂進行固定安裝，維護和保養(yǎng)都很方便。
3.操作簡單方便。本實用新型操作不需要知道罐底壁的厚度、材料以及其它參數，液體介質的超聲波傳播速度也事先存儲在單片機內部，并可通過附加溫度接口，實現(xiàn)對聲速溫度的自動校正。用戶操作時，只需按下控制開關，單片機便自動進行測量控制、數據處理和結果顯示，操作十分簡便。
權利要求1.一種儲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]，連接單片機的計數器[8]，連接整形電路、信號發(fā)生器及計數器的單片機系統(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]由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和功率放大電路組成，兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分別由單片機的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，其輸出的脈沖經二極管到達功率放大電路，該電路輸出的脈沖信號經繼電器[10]或[11]激發(fā)換能器[2]或[1]。
專利摘要本實用新型是儲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院