CN100595525C - 储液罐声学液位报警器 - Google Patents

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Abstract

储液罐声学液位报警器，涉及一种液位报警装置。提供一种既避免与液体直接接触，又不需要主动发射信号，使用方便，同时具有结构简单、成本低等特点的储液罐声学液位报警器。设有麦克风、信号处理电路、单片机和报警输出电路。信号处理电路输入端接麦克风，信号处理电路输出端接单片机的宽度检测输入接口，单片机的宽度检测结果输出端接报警输出电路输入端。信号处理电路设有放大电路、带通滤波电路、包络检波电路和门限比较电路，放大电路输入端接麦克风，放大电路输出端经带通滤波电路接包络检波电路输入端，包络检波电路输出端接门限比较电路输入端，门限比较电路输出端接单片机的宽度检测输入接口。

Description

储液罐声学液位报警器
技术领域
本发明涉及一种液位报警装置，尤其是涉及一种用于储液罐的声学液位报警器。
背景技术
储液罐液位的测量、报警在石油及化工等国民经济关键行业发挥着十分重要的作用，它关系到生产安全、工业控制等问题。随着科学技术的不断发展，储罐液位测量与报警技术蓬勃发展，功能不断完善。
当前，国内外储罐液位测量方法主要分为接触式和非接触式两种。常用的接触式精确测量方法有电容式液位测量和磁致伸缩式测量两种。但是接触式测量由于要与液体接触的特点而在应用中受到一些限制。非接触式测量主要有超声液位测量和雷达测量等。其中由于超声液位测量的价格低廉、性能可靠等优点得到广泛应用，但超声液位测量需要保证超声信号持续发射和回波信号的正确接收，造成耗电、仪器安装等方面的限制。
公告号为CN2715124的实用新型专利公开一种防爆型超声液位报警装置，包括用于安装在液体储罐外壁上的外贴式超声探头和与之相连的变送器，超声探头为兼具发射和接收功能的防爆型换能器，且超声探头同时与变送器的信号输出端子和信号输入端子相连。信号处理器的探测信号输出端子通过发射信号放大器与超声探头相连，信号处理器的探测信号接收端子通过接收信号放大器及接收信号限幅保护器与超声探头相连，信号处理器的报警信号输出端子与报警设备控制器相连。
发明内容
本发明的目的是提供一种既避免与液体直接接触，又不需要主动发射信号，使用方便，同时具有结构简单、成本低等特点的储液罐声学液位报警器。
本发明的技术方案是通过测量储罐内共振腔的共振频率进行液位测量，其工作原理是在储液罐注液时，随着液位的增高，液面与罐体形成的共振腔的体积逐渐减小，共振腔内注液声激发的简正波的共振频率将逐渐增高，因此液位可以通过测量罐体共振腔的共振频率来获取。
本发明设有麦克风、信号处理电路、单片机和报警输出电路。信号处理电路输入端接麦克风，信号处理电路输出端接单片机的宽度检测输入接口，单片机的宽度检测结果输出端接报警输出电路输入端。信号处理电路设有放大电路、带通滤波电路、包络检波电路和门限比较电路，放大电路输入端接麦克风，放大电路输出端经带通滤波电路接包络检波电路输入端，包络检波电路输出端接门限比较电路输入端，门限比较电路输出端接单片机的宽度检测输入接口。
麦克风可采用驻极体麦克风。
本发明的具体工作原理是：利用储液罐液体加注过程激发的较宽频带的液体撞击声作为激发储罐共振腔简正波的声源，设置于罐体内的麦克风采集液体加注激发的声信号后经过放大、带通滤波(滤波器中心频率设在需报警水位对应的共振频率处)后进行包络检波、门限比较检测(门限检测所得脉冲的宽度代表了该共振频率上的声信号强度)，门限比较检测的输出送入单片机进行宽度检测，并根据宽度检测结果判断，若达到设定的液位，则输出报警信号。
由此可见，本发明具有以下突出的优点：
1.属于被动测量，利用罐体内注液声作为激发声源，无需主动发射信号；
2.安装使用方便、结构简单、成本低。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成及其使用示意图。
图2为本发明实施例的放大电路和带通滤波电路组成原理图。
图3为本发明实施例的包络检波电路组成原理图。
图4为本发明实施例的单片机脉宽检测电路和报警输出电路组成原理图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
信号处理电路输入端接麦克风，信号处理电路输出端接单片机的宽度检测输入接口，单片机的宽度检测结果输出端接报警输出电路输入端。
参见图1，本发明设有麦克风1、信号处理电路(由放大电路2、带通滤波电路3、包络检波电路4和门限比较电路5组成)、单片机6和报警输出电路7。放大电路2输入端接麦克风1，放大电路2输出端经带通滤波电路3接包络检波电路4输入端，包络检波电路4输出端接门限比较电路5输入端，门限比较电路5输出端接单片机6的宽度检测输入接口。
使用时，利用注液管9对储液罐8进行液体加注过程中激发的较宽频带的液体撞击声作为激发储液罐共振腔简正波的声源，设置于储液罐8罐体内的麦克风1采集液体加注激发的声信号后经过放大、带通滤波(滤波器中心频率设在需报警水位对应的共振频率处)后进行包络检波、门限比较检测(门限检测所得脉冲的宽度代表了该共振频率上的声信号强度)，门限比较检测的输出送入单片机进行宽度检测，并根据宽度检测结果判断，若达到设定的液位，则输出报警信号。
参见图2，麦克风(在图2中的麦克风代号为MIC)可采用宁波市鄞州声光电子有限公司生产的SGOFM6022P-C型全向型振膜式驻极体麦克风，相关性能数据如下：指向性：全向，阻抗：低阻，电流消耗：Max 500mA≤0.5mA，工作电压：1.5～10V，灵敏度变化：电压变化1.5V在3dB以内，信噪化：≥54dB。注液管8和麦克风1设于储液罐9的上部，储液罐9罐体内注液激发的声信号经驻极体麦克风后输入放大电路的集成电路U1A放大级反向放大10倍，再经过一个由3个运算放大器U1B，U1C，U1D组成的中心频率设定为1kHZ，Q值为5的双二阶带通滤波器滤波，对与特定液位对应的共振频率1kHz的罐体共振腔共振声信号进行滤波。在实际使用中，可根据储液罐的实际尺寸及需报警液位通过改变图2中的电阻R和电容C元件的值对带通滤波电路中心频率进行调整。
参见图3，滤波后的信号通过运算放大器T3A和二极管D1，D2组成的半波整流电路，然后经过二极管D3取正向电压，再经电容C5和一个由电阻R12和电容C6组成的低通滤波器，便得到信号包络。
参见图4，带通包络和可调门限经过比较器U2(LM311)后，通过端口P3.2接入单片机AT89C2051，经单片机处理，单片机程序进行脉冲宽度检测，并根据检测结果控制二极管D2的显示。若脉宽大于2ms，则说明罐体共振腔内有足够强度的该频率共振声信号被激发，说明储液罐共振腔已经减少到设定液位对应的体积，单片机通过端口P1.4点亮红色发光二极管LED进行报警，在电路中运算放大器由TL084构成。
以下给出本发明实施例的系统程序。
单片机程序如下：
START：
MOV TMOD，#09H；设置计时器工作方式
MOV TH0，#00H；T0置数
MOV TL0，#00H
MOV R0，#70H
JNB P3.2，$；判断是否接收到
SETB TR0；计时脉冲宽度
JB P3.2，$
CLR TR0
MOV @R0，TH0；保存数据
INC R0
MOV @R0，TL0
CLR C
MOV A，71H
SUBB A，#D0H；判断是否大于2ms。
MOV A，70H
SUBB A，#07H
JNC REL2：
AJMP START；小于2ms，红灯不亮
REL2：
SETB P1.4；大于2ms，红灯亮，液位报警
DELAY3
CPL P1.4
AJMP START
注：单片机时钟频率假设为MHz
DElAY3：延时10ms子程序。

Claims (2)

1.储液罐声学液位报警器，其特征在于设有麦克风、信号处理电路、单片机和报警输出电路，信号处理电路输入端接麦克风，信号处理电路输出端接单片机的宽度检测输入接口，单片机的宽度检测结果输出端接报警输出电路输入端；
所述信号处理电路设放大电路、带通滤波电路、包络检波电路和门限比较电路，放大电路输入端接麦克风，放大电路输出端经带通滤波电路接包络检波电路输入端，包络检波电路输出端接门限比较电路输入端，门限比较电路输出端接单片机的宽度检测输入接口。
2.如权利要求1所述的储液罐声学液位报警器，其特征在于麦克风为驻极体麦克风。
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一种储罐液位声学测量新方法. 贾鹏，张杰，陈侃，童峰.厦门大学学报（自然科学版），第46卷第S1期. 2007
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