CN102297715B - 一种自校正外测液位开关测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自校正外测液位开关测量系统及其测量方法，该自校正外测液位开关测量系统包括外测液位开关主机、主测量头和副测量头，所述主测量头和副测量头都吸附在容器外壁，且主测量头和副测量头的间距中心对准液位监测点；所述主测量头和副测量头同时都与外测液位开关主机相连接，主测量头位于副测量头上方。本发明的自校正外测液位开关测量系统及其测量方法解决了目前外部安装测量的液位开关误动率高，工作稳定性和可靠性差和在现场使用中需要人工定期标定调校，安装调试工作量很大，效率低的问题。
Description
技术领域：
本发明属于工业自动化仪表中的液位测量领域，涉及一种液位开关系统及其测量方法，尤其是一种自校正外测液位开关测量系统及其测量方法。
背景技术：
目前，在容器外边安装的液位开关，有外贴式液位开关、外置式液位开关等。其工作原理是，在容器侧壁外侧需要检测液位的监测点处安装测量头，测量头向容器壁内发射超声波，超声波进入容器壁内部内后会在容器壁的内、外表面之间来回反射多次而形成余振信号。超声波从容器壁内进入液体的透射系数K液=液体的声阻抗R液/容器壁的声阻抗R壁。其中的R液=液体密度ρ液*液体声速V液=1(克/立方厘米)*1600（米/秒）=1600。超声波从容器壁内进入气体的透射系数K气＝气体的声阻抗R气/容器壁的声阻抗R壁。其中的R气=气体密度ρ气*气体声速V气≌0(克/立方厘米)*340（米/秒）=0。由此可知超声波从容器壁内进入液体的透射系数K液远大于超声波从容器壁内进入空气的透射系数K气。所以当容器内液面低于监测点时，由于透射系数K气≌0，超声波在容器壁的内、外表面之间来回反射的次数会比较多，能量损失会比较慢，余振信号波的个数会比较多。当容器内液面高于监测点时，由于透射系数K液=1600，超声波在容器壁的内、外表面之间来回反射的次数会比较少，能量损失会比较快，余振信号波的个数会比较少。
现有技术中，在容器外边安装的液位开关的测量方法是检测超声波在容器壁内部的余振信号，对发射超声波信号一段时间后余振信号的幅值或幅值对时间的积分值（简称信号值V信）与设定的幅值或幅值对时间积分值（简称设定值V设）进行比较，当信号值V信大于设定值V设时判定液位低于监测点，当信号值V信小于设定值V设时判定液位高于监测点。
但是由于容器内壁表面变稠的粘附层、液体温度、容器外壁与测量头的耦合层会随时间发生变化，使得安装后信号值V信变化大，不稳定性，误动率高，工作稳定性和可靠性很差。而且，由于余振信号的幅值或幅值对时间的积分值会应因为每一个容器的罐壁材质、厚度、液体成分和温度不同，不同容器上的V信差别很大，需要对于每个容器人工现场标定设定值V设，安装调试工作量很大，效率低，使用寿命约为2-6个月，致使实际上不能长期使用。
发明内容：
本发明的自校正外测液位开关测量系统及其测量方法解决了目前外部安装测量的液位开关误动率高，工作稳定性和可靠性差和在现场使用中需要人工定期标定调校，安装调试工作量很大，效率低的问题。
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种自校正外测液位开关测量系统，包括外测液位开关主机、主测量头和副测量头，所述主测量头和副测量头都安装在容器壁外侧，且主测量头和副测量头的间距中心对准液位监测点；所述主测量头和副测量头同时都与外测液位开关主机相连接，主测量头位于副测量头上方。
所述主测量头中心和副测量头中心的间距为h，主测量头中心和副测量头中心与液位监测点的距离相等，都为h/2。
所述主测量头和副测量头是相同类型的测量头。
所述主测量头和副测量头构成一个自校正测量头组；所述系统包括若干个自校正测量头组。
所述主测量头和副测量头采用常规的超声探头，主测量头和副测量头分别按照一定的时间间隔交替向容器内发射超声波并采集反射回来的超声波信号值。
所述h的范围是10-500mm。
所述容器是球型罐、卧式罐、立式罐或过程罐。
所述容器是铁磁性容器时，主测量头和副测量头采用磁力直接吸附在铁磁性容器壁外侧。
所述容器是非铁磁性容器时，主测量头和副测量头粘接贴合在容器壁外侧，或者主测量头和副测量头通过连接座固定在容器壁外侧。
所述系统用于测量储存在球型罐、卧式罐、立式罐或过程罐中的液体的液位。
基于所述系统的测量方法，包括以下步骤：
(1)吸附在容器外壁的主测量头和副测量头分别按照一定的时间间隔交替向容器内发射超声波并采集反射回来的超声波信号值；
(2)用主测量头的信号值减副测量头的信号值得到信号差值；
V信主-V信副=V信差 (1)；
V信主为主测量头的信号值，V信副为副测量头的信号值，V信差为主测量头信号值与副测量头信号值的信号差值；
(3)建立V信主和V信副与实际液位L的一次测量曲线；建立信号差值V信差与实际液位L的二次测量曲线；V信差～L测量曲线是一个向上凸起的脉冲形曲线；
(4)当实际液位L低于副测量头中心或高于主测量头中心时，V信 差～L测量曲线保持水平；当液位上升到漫过副测量头中心时V信差～L曲线突然上跳到最大值；当液位继续上升到漫过主测量头中心时V信差～L曲线突然下跳到水平位置；
当液位下降到漫过主测量头中心时V信差～L曲线突然上跳到最大值；当液位继续下降到漫过副测量头中心时V信差～L曲线突然下跳到水平位置；
(5)根据V信差～L曲线的变化、主测量头和副测量头的信号差值判断实际液位L是低于监测点、高于监测点还是等于监测点。
本发明的自校正外测液位开关测量系统及其测量方法的优点在于，信号设定值不用人工设定，而是存储最近期的液位低于和到达和漫过了监测点的信号值数据，用最近期的数据自动计算出信号设定值和判断液位状态，实现全自动的“傻瓜式”安装。
附图说明：
图1为本发明的自校正外测液位开关测量系统结构示意图；
图2为本发明的V信主和V信副与实际液位L的一次测量曲线图；
图3为本发明的V信差～L曲线图；
其中：1为容器；2为外测液位开关主机；3为主测量头；4为副测量头。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1、图2和图3，本发明的自校正外测液位开关测量系统包括外测液位开关主机、主测量头和副测量头，所述主测量头和副测量头都吸附在容器外壁，且主测量头和副测量头的间距中心对准液位监测点；所述主测量头和副测量头同时都与外测液位开关主机相连接，主测量头位于副测量头上方。
本发明的自校正外测液位开关测量方法包括：
1、外测液位开关主机、主测量头和副测量头；外测液位开关主机与主测量头及副测量头相连接；两个测量头性能相同，安装在同一个容器的同一个侧壁的外表面上，两个测量头的中心相距h；主测量头安装在比液位监测点高h/2之处，副测量头安装在比液位监测点低h/2之处，或者副测量头安装在监测点处；
用主测量头的信号值V信主减副测量头的信号值V信副作为自校正测量头组合的信号值V信差，即V信差=V信主-V信副；V信差～L（液位）曲线是一个在主测量头、副测量头安装处之间的向上凸起的脉冲形曲线，当液位L低于副测量头或高于主测量头时V信差～L基本上是水平的直线，当液位上升到漫过副测量头时V信差～L曲线突然上跳到最大值，当液位继续上升到漫过主测量头时V信差～L曲线突然下跳到水平线位置。
液位从高向下降低依次经过主测量头和副测量头时，V信差～L曲线与液位上升时的曲线形状一样。由此曲线的特征和两个测量头的信号值可以很容易的判定液位是低于监测点、高于监测点还是到达了监测点。
2、本发明的自校正外测液位开关测量系统及其测量方法的要点还在于，信号设定值不用人工设定，而是存储最近期液位低于和到达和漫过了监测点的信号值数据，用最近期的数据自动计算出信号设定值和判断液位状态。实现全自动的“傻瓜式”安装。
结合下述实例可以说明地更具体更清楚，主测量头安装高度为：H高＝1540毫米，副测量头安装高度为H低=1440毫米，两测量头距离为100毫米。
附图1.是主测量头信号值随液位变化的曲线和副测量头信号值随液位变化的曲线。由图可以看到，原来用一个测量头，例如用主测量头判定液位时测得的信号值数据，液位低于测量头位置例如1520毫米时信号值为3220，当液位高于测量头位置例如1580毫米时信号值为2870，于是人工设定V设高=（3220+2870）/2=3045。
当信号值V信主＜V设高=3045时就判定液位达到了监测点，应该发出报警信号。但是如果用安装在同一个容器上的副测量头测得的信号值数据来判断，却发现液位低于监测点时信号值仅达到2930＜V设高=3045，即液位远低于监测点时信号值就低于3045，就会错误判定液位达到了监测点，发生误报警。
实验发现在同一个监测点测量值也会因为液体成分、温度和容器壁表面液体挂壁、凝固及测量头耦合等的变化而随时间变化，前后不一致，所以无法根据过去的测量值人工设定固定不变的设定值来正确稳定地判定液位是否高过了监测点。
本发明的主要思路是基于：
1、安装在同一个容器同一位置附近的主测量头和副测量头随安装位置和时间发生的上述因为液体成分、温度和容器壁表面液体挂壁、凝固及测量头耦合等变化而引起的信号值变化是近似相同的，所以主测量头和副测量头的信号差值受这些共同变化干扰的影响很小。或者说共模干扰抵消了，输出的干扰就大大减小了。
2、主测量头和副测量头的信号差值是根据存储的最近期内测得的液体低于、达到、高于监测点的信号值不断更新的最近期的数据计算出来的及时数据，据此算出来的组合测量头的设定值是及时更新的准确的。
附图2.是主测量头信号值与副测量头信号值的信号差值随液位变化的曲线，即V信差～L曲线，这里V信差=（V信主-V信副）。
由附图2可知，当液位低于副测量头安装点1440毫米或者高于主测量头安装点1540毫米时，V信差＜500，当液位在主测量头、副测量头安装点之间时V信差＞800。于是可以把主测量头、副测量头的设定值确定为其中间值，即设定V设组=（500+800）/2=650。
当V信差＞V设组，并且附图1中V信副＜V设低=2665时，发出液位到达监测点的报警信号。
当V信差＜650，并且V信副＞V设低=2665时判定液位低于低位监测点1440毫米。当V信差＜650，并且V信主＜V设高=3035时判定液位高于高位监测点1540毫米。
主测量头信号值、副测量头信号值的信号差值V信差=（V信主-V信 副）是由主测量头V信主、副测量头信号值V信副相减产生的，信号值随时间发生的共同变化不会影响主测量头、副测量头信号差值V信差。所以可以准确稳定地判定液位是否达到了监测点高度。
本发明中的主测量头和副测量头都可以使常规的超声探头，所得到的信号值都可以是采用超声探头所得到的常规信号值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种自校正外测液位开关测量系统，包括外测液位开关主机、主测量头和副测量头，其特征在于：所述主测量头和副测量头都安装在容器壁外侧，且主测量头和副测量头的间距中心对准液位监测点；所述主测量头和副测量头同时都与外测液位开关主机相连接，主测量头位于副测量头上方；
所述主测量头中心和副测量头中心的间距为h，主测量头中心和副测量头中心与液位监测点的距离相等，都为h/2；
所述主测量头和副测量头是相同类型的测量头；
所述主测量头和副测量头构成一个自校正测量头组；所述系统包括若干个自校正测量头组；
所述主测量头和副测量头采用常规的超声探头，主测量头和副测量头分别按照一定的时间间隔交替向容器内发射超声波并采集反射回来的超声波信号值。
2.如权利要求1所述自校正外测液位开关测量系统，其特征在于：所述h的范围是10-500mm。
3.如权利要求1所述自校正外测液位开关测量系统，其特征在于：所述容器是球型罐、卧式罐、立式罐或过程罐。
4.如权利要求1所述自校正外测液位开关测量系统，其特征在于：所述容器是铁磁性容器时，主测量头和副测量头采用磁力直接吸附在铁磁性容器壁外侧。
5.如权利要求1所述自校正外测液位开关测量系统，其特征在于：所述容器是非铁磁性容器时，主测量头和副测量头粘接贴合在容器壁外侧，或者主测量头和副测量头通过连接座固定在容器壁外侧。
6.如权利要求1所述自校正外测液位开关测量系统，其特征在于：所述系统用于测量储存在球型罐、卧式罐、立式罐或过程罐中的液体的液位。
7.基于权利要求1、2、3、4、5或6所述系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)吸附在容器外壁的主测量头和副测量头分别按照一定的时间间隔交替向容器内发射超声波并采集反射回来的超声波信号值；
(2)用主测量头的信号值减副测量头的信号值得到信号差值；
V信高-V信低=V信差 (1)；
V信高为主测量头的信号值，V信低为副测量头的信号值，V信差为主测量头信号值与副测量头信号值的信号差值；
(3)建立V信高和V信低与实际液位L的一次测量曲线；建立信号差值V信差与实际液位L的二次测量曲线；V信差～L测量曲线是一个向上凸起的脉冲形曲线；
(4)当实际液位L低于副测量头中心或高于主测量头中心时，V信 差～L测量曲线保持水平；当液位上升到漫过副测量头中心时V信差～L曲线突然上跳到最大值；当液位继续上升到漫过主测量头中心时V信 差～L曲线突然下跳到水平位置；
当液位下降到漫过主测量头中心时V信差～L曲线突然上跳到最大值；当液位继续下降到漫过副测量头中心时V信差～L曲线突然下跳到水平位置；
(5)根据V信差～L曲线的变化、主测量头和副测量头的信号差值判断实际液位L是低于监测点、高于监测点还是等于监测点。
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Address after: 710065 Shaanxi city of Xi'an province high tech Zone Guangde road F2B-5 Patentee after: Xi'an electronic Limited by Share Ltd Address before: 710065 Shaanxi city of Xi'an province high tech Zone Guangde road F2B-5 Patentee before: Xi'an Dinghua Electronics Co., Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Self-correcting measurement system and method of outside measurement liquid level switch Effective date of registration: 20181120 Granted publication date: 20120919 Pledgee: Shaanxi Changan financing guarantee Limited by Share Ltd Pledgor: Xi'an electronic Limited by Share Ltd Registration number: 2018610000189 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20191126 Granted publication date: 20120919 Pledgee: Shaanxi Changan financing guarantee Limited by Share Ltd Pledgor: Xi'an electronic Limited by Share Ltd Registration number: 2018610000189 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Self-correcting measurement system and method of outside measurement liquid level switch Effective date of registration: 20191129 Granted publication date: 20120919 Pledgee: Shaanxi Changan financing guarantee Limited by Share Ltd Pledgor: Xi'an electronic Limited by Share Ltd Registration number: Y2019610000051 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20210106 Granted publication date: 20120919 Pledgee: Shaanxi Changan financing guarantee Limited by Share Ltd. Pledgor: XI'AN DINGHUA ELECTRONICS Co.,Ltd. Registration number: Y2019610000051 |