CN102322920A - 测定容器特定料位有无粉体物料的方法及其实施料位开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定容器特定料位有无粉体物料的方法及其实施料位开关。料位开关是一种非接触式超声波料位开关，其实施是在容器的料位检测点，从容器壁面外以垂直于容器轴线的方向对生产运行中的容器按设定的时间间隔发射检测超声波，将得到的容器内壁面与其内介质之间界面的反射回波信号，与事先测得存入储存器中的、容器在加入有粉体物料和未加入粉体物料时容器内壁面与容器内介质之间界面的标定超声波回波信号进行强度比较，判断密闭容器料位检测点处有无粉体物料，从而实现对粉体物料容器特定料位的检控。本发明是一种与容器内粉体物料完全不接触进行料位测定的技术，具有检测结果可靠，作为检测装置的料位开关使用寿命长等优点。

Description

测定容器特定料位有无粉体物料的方法及其实施料位开关

技术领域

本发明涉及物料料位检测技术，尤其是涉及一种非接触式检测密闭容器内粉体物料料位的方法与装置。

背景技术

在很多工业生产中，原料、半成品、成品为粒块状或粉状物料，通常需对其料位进行检测。特别是装载粉体物料的密闭容器，如混凝土搅拌站中的水泥料仓、矿粉料仓等，在使用过程中需要随时监控这些料仓的料位，通常至少要检测上、下极限料位，若料位低于下极限料位，则料仓内物料过少，需加料，否则可能造成生产中粉体物料缺乏，影响生产正常进行。高于上极限料位，则容易导致容器内压力过大，物料冲顶，容器爆裂，需减料。进行料位检测的目的就是保证容器中粉体物料的料位在合理范围之内，以保证设备和生产安全运行，避免容器爆裂引起粉尘扩散污染环境。

由于粉体物料粒径小，具有容易流动、容易吸附等特性，在粉体物料仓中，粉体物料往往弥漫整个空间，对放置在其中的检测仪器和元件造成很大的干扰和破坏，使得现有的料位检测技术检测的结果不可靠、检测装置的使用寿命短，最终酿成生产事故，造成环境污染。

目前的料位检测技术，按测量装置的测量感应元件与被测物料是否接触，分为接触式检测和非接触式检测。

1.接触式料位检测

接触式料位检测技术主要有：重锤式料位计法、音叉料位开关法、阻旋料位开关法、电容式料位计法、射频导纳料位开关法等。它们的共同点是作为测量装置的测量感应元件与被测物料接触。

(1)重锤式料位计法，作为测量装置的重锤式料位计，主要由重锤探测器和控制器等组成，通过从容器顶部下放重锤探测物料表面来检测料位。缺点是使用过程中受粉体物料影响易发生断锤、埋锤、跳线、断线现象。

(2)音叉料位开关法，作为测量装置的音叉料位开关主要由探测音叉、压电晶体和电子电路等组成，通过检测其音叉与物料介质接触时振动频率和振幅的改变，转换为开关信号，实现料位的检测。在粉体物料检测中的缺点是音叉受粉尘影响易堵料、易误发信号、易坏。

(3)阻旋料位开关法，作为测量装置的阻旋料位开关，主要由叶片、电机和检测电路等组成，工作时，根据叶片转动是否受到物料阻力来判断料位，输出开关信号，实现料位的检测。在粉体物料检测中的缺点是易出现机械故障，如叶片受损，内部元件受粉尘破坏严重。

(4)电容式料位计法，作为测量装置的电容式料位计，主要由电极棒、转换电路等组成，通过检测电极棒与料仓壁之间由物料料位变化引起的电容量变化来检测料位。缺点是只适用于绝缘物料，在粉体物料中，电极和仓壁容易附着物料，经常会导致检测失效。

(5)射频导纳料位开关法，作为测量装置的射频导纳料位开关是从电容式料位计发展起来的，通过检测传感器与仓壁间由物料料位改变引起的导纳值变化来检测料位。缺点也与电容式料位计法一样。

在粉体物料料位接触式检测技术中，共同的特点是料位检测装置的测量感应元件与粉体物料接触，各个部件受粉体物料的影响，存在寿命短、检测效果差、需要经常维护清理等不足。

2非接触式料位检测

非接触式料位检测技术主要有：超声波料位计法、雷达料位计法、激光料位计法等，它们的共同点是感应元件与被测物料不接触。

(1)超声波料位计法，作为测量装置的超声波料位计，主要由探头和控制器等组成，其探头安装在容器内顶部，根据超声波从发射到接收的时间和传播速度，计算出从容器顶部到物料表面的距离，确定料位。采用这种方法测量粉体物料料位时，由于容器中的粉尘对超声波的吸收，会导致超声波信号的严重衰减，且探头容易结垢，因此会引起测量误差，甚至不能进行测量。

(2)雷达料位计法，作为测量装置的雷达料位计，其工作原理和超声波料位计类似，也是通过测距的方式来检测料位，只是采用了雷达波代替超声波。采用雷达波测量粉体物料料位，其缺点是雷达波在粉尘中会衰减，易产生干扰回波，且存在天线根部积灰和探头结疤等问题。

(3)导波式雷达料位计法，作为测量装置的导波式雷达料位计，是雷达料位计的一种变型，原理相同，只是其雷达波沿所设的导波体传播。采用导波式雷达波测量粉体物料料位，其缺点是导波体易受外部结构影响，内部易积料，易产生虚假回波，埋在物料中的导波体由于受物料重力容易被拉断。

(4)激光料位计法，作为测量装置的激光料位计，其工作原理也类似于超声波料位计，采用测距原理，只是用激光代替了超声波。缺点是探头容易结垢，引起测量误差或不能测量。

现有技术的非接触式料位检测技术，作为测量装置的检测感应元件，在粉体物料料位检测中仍然安置于容器内部，与接触式料位检测技术相同，仍受容器内粉尘的影响，使用寿命较短，检测结果不可靠。

目前大多工业现场使用的粉体物料料位检测装置，作为检测装置的检测感应元件，由于其安置于容器内，都会受到粉尘的污染破坏，严重影响检测结果，检测结果可靠性不高，易造成料仓破坏、粉尘污染、经济损失等严重后果，不能很好地满足实际应用场合的需要。而对于存装粉体物料的密闭容器，在其生产运行过程中，并不需要随时测量出其粉体物料的料位，只要能随时测定密闭容器特定料位的物料状况，就能保证粉体物料容器的正常生产运行。鉴于此，需要人们开辟一种新的思路，提供一种检测结果可靠且不受粉尘影响破坏的粉体物料密闭容器料位测定技术。

发明内容

本发明针对现有技术的粉体物料密闭容器料位检测技术存在的检测结果不可靠、检测装置使用寿命短等问题，提出一种非接触式地测定粉体物料密闭容器特定料位有无物料的方法及其实施用的料位开关。

本发明提供的测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其内容主要为：在容器的料位检测点，从容器壁面外以垂直于容器轴线的方向对生产运行中的容器按设定的时间间隔发射检测超声波，将得到的容器内壁面与其内介质之间界面处的反射回波信号，与事先测得存入储存器中的、容器在加入有粉体物料和未加入粉体物料时容器内壁面与其内介质之间界面处的标定超声波回波信号进行强度比较，测定粉体物料容器料位检测点处有无粉体物料。

本发明提供的测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其测定原理与过程如附图1和附图4中所示。在粉体物料容器料位检测点，将料位开关固定安装在容器外壁面，超声波垂直容器壁面(垂直容器轴线)入射，如附图4所示，容器内加入有粉体物料和未加入粉体物料，容器内壁和其内介质之间形成的界面差异非常明显，超声波在这两种界面下的反射回波强度差异同样十分明显，料位开关能识别这种明显的差异，从而可测定出其所在安装位置容器内有无粉体物料。

在一次检测过程中，超声波垂直容器壁入射，发射的检测超声波a在传播过程中会产生多个反射回波信号，如附图4所示：回波b为检测超声波a在容器外壁面上的反射回波；回波c为在容器内壁和其内介质形成的界面上的反射回波；回波d为在容器内介质与容器内壁形成的界面上的反射回波，即检测超声波a穿过容器内介质后在介质与容器内壁形成的界面上的反射回波。在上述回波中，由于超声波探头与容器外壁之间有偶合剂，回波b的信号很小；回波c由于容器壁与容器内的介质性质差异很大，回波信号比较强；回波d由于超声波a穿过容器内介质发生衰减，反射回波穿过容器内介质又发生衰减，因此回波d的信号比较小。在通常情况下，在容器内壁和其内介质形成的界面上的反射回波信号要远远强于其它的回波信号，又由于容器加入有粉体物料与未加入有粉体物时回波信号差异很大，因此本发明以容器内壁和其内介质形成的界面上的反射回波信号作为检测信号，根据检测信号的强度得出粉体物料容器料位检测点有无粉体物料的结论。

在上述技术方案中，检测超声波反射回波信号与标定超声波反射回波信号强度比较，是通过判定检测超声反射波回波信号的强度是否落入标定超声波反射回波信号强度范围进行比较，当检测超声波反射回波信号强度落入标定超声波反射回波信号强度范围，则粉体物料容器料位检测点处即为事先标定时的料位状态，而不是通过比较测量超声波反射回波信号强度与标定超声波反射回波信号强度是否一致，来测定粉体物料容器料位检测点处的料位状态。采取这种方法进行比较，是因在粉体物料容器料位检测点对运行中的容器发射检测超声波进行检测时，容器壁的材料、厚度、容器内的粉体物料变化、容器空间物料粉尘变化等，很难做到与事先在确定标定超声波反射回波信号时的环境完全一致，或多或少地有一些偏差，且容器在运行一段时间后也可能带来料位开关工作环境的少量变化(当发生较大变化时，即料位开关工作超过标准使用时间后，需重新标定)，但是容器在加入有粉体物料和未加入粉体物料时，超声波在容器内壁面与其内介质交界面处的反射回波信号强度差异明显，因此采用这样的方法能够正确地测定出粉体物料容器料位检测点处的料位状态，进而实现对粉体物料容器内的粉体物料料位进行控制。所述标定超声波反射回波信号强度范围一般为标定超声波反射回波信号强度值上下30％的区域，即以标定超声波反射回波信号强度值低30％的信号强度为强度范围的下界，以标定超声波反射回波信号强度值高30％的信号强度为强度范围的上界。

作为本发明实施必备的标定超声波回波信号，可直接在要实施的粉体物料容器上在其运行之前测取，分别测得容器在加入有粉体物料和未加入粉体物料超声波在容器内壁面与容器内介质交界面处的反射回波信号强度，存入储存器，以供实际测定容器内粉体物料料位状态时使用。

作为本发明实施必备的标定超声波回波信号，也可在实验室中事先测取。在实验室中事先测取，可避免现场标定实际操作的困难。在实验室中事先测取，超声波反射回波信号强度受容器内部介质、容器壁材料和壁厚等诸多因素影响。在不同物料、容器壁材料和壁厚等条件下的反射回波信号强度可通过实验确定，根据实验数据，建立起不同物料、容器壁材料和壁厚条件下反射回波信号强度数据库，作为实际检测时的依据。在本发明具体实施时，先根据实际情况，从数据库中找出与实际有无物料情况吻合的反射回波信号强度范围；再由检测的反射回波信号强度判断属于有无物料哪种情况，得出相应的检测结果。

在上述技术方案中，对运行中的粉体物料容器发射超声波可采用间隔连续发射，即隔一定的时间间隔发射一次，其中前后两次发射超声波的时间间隔要大于上一次发射的超声波反射回波信号衰减消除的时间，以避免上一次发射的超声波反射回波对本次检测发射的超声波反射回波信号造成干扰，保证检测正确性。

在上述技术方案中，粉体物料容器料位检测点的设置，可仅在容器最低料位点设置、或最高料位点设置，也可同时在容器的最低料位点和最高料位点设置，还可同时增设容器最低料位预警点和/或最高料位预警点，即粉体物料容器料位检测点可在需要的任何位置进行设置。

本发明测定容器特定料位有无粉体物料的方法，可通过下述结构的料位开关进行实施。

本发明测定粉体物料容器料位有无物料的料位开关，其结构主要包括超声波探头、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机、温度检测电路、电源电路、时钟电路和信号输出电路，超声波发射电路和接收电路均一端接探头，另一端接单片机，其余电路分别与单片机相应连接，料位开关通过安装结构使其超声波探头垂直容器轴线的安装在容器外壁面。

料位开关使其探头垂直于容器壁面(容器轴线)安装于容器外壁面，安装结构主要由管接头与法兰构成，为了保证探头与壁面之间有充足的耦合剂，在安装结构的管接头上部可设有耦合剂存储添加器具。耦合剂的作用是消除探头与外壁面之间的空气间隙，减小在此界面的反射损失，实现超声波的顺利传播。

为了提高上述料位开关的实用性，料位开关在上述技术方案的基础上还可进一步地分别单独、或组合、或一并增设键盘电路、显示电路、报警电路或串口通信电路，这些电路均与单片机相应连接。

在上述技术方案中，所述的超声波探头是一个二合一探头，超声波的发射和接收都是通过该探头完成。

在上述技术方案中，所述的超声波发射电路的作用是将单片机提供的脉冲信号进行功率放大，以满足探头的驱动要求。超声波发射过程是：由单片机控制产生一定频率的脉冲信号，送入发射电路，信号经发射电路进行驱动放大到足够功率之后送入超声波探头，激励探头发射出超声波。

在上述技术方案中，所述的超声波接收电路的作用是对接收到的反射回波信号进行放大整形等处理，再将信号送入单片机进行运算处理。超声波接收过程是：由超声波探头接收反射回来的信号，将信号转换为电压信号后送入接收电路，经接收电路处理后送入单片机。

在上述技术方案中，所述的单片机是料位开关的处理控制核心，其主要作用是：发出脉冲信号驱动探头发射超声波；采集反射回波信号，根据发射信号和反射回波信号的强度，进行比较判断，并输出相应的开关信号；执行按键操作和实现显示、报警等功能。

在上述技术方案中，所述的温度检测电路、电源电路、时钟电路、键盘电路、显示电路、报警电路、控制信号输出电路和串口通信电路各自与单片机连接，分别起到检测温度、供电、提供时钟信号、键盘输入、显示、报警、输出开关信号、与计算机通信的作用。

本发明的料位开关是一种非接触式超声波粉体物料料位开关，由单片机产生脉冲信号，经由超声波发射电路驱动放大后，通过超声波探头发射超声波，并由探头接收反射回波，转换为电压信号，电压信号经接收电路进行处理之后，送入单片机进行处理，根据结果输出开关信号，从而实现对料位状态的测定。

本发明是根据超声波在不同介质分界面上的反射率不同，容器内有无粉体物料超声波在容器内壁和其内介质之间界面上的反射回波信号差异大，提出了测定容器特定料位有无粉体物料的方法，测量方法是通过将检测得到的容器内壁和其内介质之间界面上的反射回波信号与事先测定存入储存器的、容器有无粉体物料不同情况下的超声波在容器内壁和其内介质之间界面上的反射回波信号进行强度比较，考察检测到的信号属于有无物料的哪一种情况，从而得出容器检测点处有无粉体物料的结论，测量方法可靠。实施本发明方法的料位开关，是一种非接触式超声波料位开关，在对粉体物料容器检测料位进行测定时，作为超声波料位开关的超声波探头在检测点位置紧贴容器外壁垂直于壁面安装，在检测过程中料位开关的检测探头完全不接触物料和粉尘，通过检测反射回波信号强度来识别容器内某个截面的料位状况，作出有无物料的判断。一旦物料达到或低于料位开关位置时，料位开关就会发出开关信号，标示安装位置容器内有无粉体物料。

本发明与检测容器内粉体物料料位的现有技术相比，最大区别在于本发明是通过比较容器内壁和其内介质之间界面上的反射回波信号强度来测定粉体物料容器检测料位的状况，而现有技术的粉体物料容器料位检测技术，则是通过测算检测信号从检测探头到粉体物料面运行的时间，即从信号发射到反射再到接收所需的时间来测量容器内的料位，而信号运行时间受容器内粉体物料面上方空间粉尘含量变化的影响很大，另外，检测探头设置在密闭容器内，与密闭容器内粉尘接触，粉尘附着在检测探头上，不但影响检测结果，也影响检测探头的寿命，因此导致现有技术的料位检测装置的检测探头寿命短、检测结果不可靠等不足。本发明的料位开关是一种非接触式超声波料位开关，在对粉体物料容器检测料位进行测定时，作为超声波料位开关的超声波探头在检测点位置紧贴容器外壁垂直于壁面安装，在检测过程中完全不接触物料和粉尘，通过检测反射回波信号强度来识别器内某个截面的料位情况，作出有无物料的判断，不受粉尘的影响破坏，检测结果可靠，检测探头寿命长，完全克服了现有技术粉体物料料位检测装置存在的不足。

本发明提供的测定容器特定料位有无粉体物料的方法与料位开关，可适用于各种密闭容器内粉体物料料位的检测，在实际使用中，可根据场合需求安装多个料位开关，进行多点检测。

附图说明

附图1是测定粉体物料容器检测料位状况的整体示意图。

附图2是本发明提供的一种结构的料位开关总体结构示意图。

附图3是本发明提供的另一种结构的料位开关总体结构示意图。

附图4是超声波传播过程中反射回波示意图。

附图5是本发明提供的料位开关安装结构示意图。

上述各附图中的图示标号标识的对象为，1-料位开关；2-容器壁；3-非物料介质；4-物料介质；5-超声波探头；6-发射电路；7-接收电路；8-单片机；9-温度检测电路；10-时钟电路；11-电源电路；12-信号输出电路；13-串口通信电路；14-键盘电路；15-显示电路；16-报警电路；17-耦合剂与容器外壁面之间的界面；18-容器内壁面与其内介质之间的界面；19-耦合剂；20输入输出电缆。

a-发射波；b-发射波在耦合剂与容器外壁面之间界面上的反射回波；c--发射波在容器内壁面与其内介质之间界面上的反射回波回波，介质为粉体物料或含有粉尘的气体；d-发射波在容器内介质与容器内壁面之间界面上的反射回波，介质为粉体物料或含有粉尘的气体。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，但有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整进行具体实施是不需付出创造性劳动的，应仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例是本发明的方法与料位开关在水泥搅拌站水泥料仓中的应用，用于检测控制水泥料仓的最低料位和最高料位。其实施是在水泥料仓的最低料位点和最高料位点各安装一个本发明揭示的非接触式超声波粉体物料料位开关1，料位开关1的超声波探头5垂直安装于水泥料仓壁面2外，安装方式如附图5所示，通过安装结构将料位开关固定在水泥料仓壁面外，安装结构主要由管接头与法兰构成，料位开关的超声波探头与水泥料仓外壁面之间充有耦合剂，为了保证探头与壁面之间有充足的耦合剂，在安装结构的管接头的上部设置有球形耦合剂储存添加器具，耦合剂储存添加器具且与超声波探头和水泥料仓外壁面之间的空隙相连通。

本实施例的非接触式超声波粉体物料料位开关1，其总体构成如附图3所示，包括用于发射和接收超声波的超声波探头5、超声波发射电路6、超声波接收电路7、作为控制核心的单片机8、温度检测电路9、时钟电路10、电源电路11、信号输出电路12；串口通信电路13；键盘电路14、显示电路15和报警电路16，所述超声波探头是二合一结构的探头，超声波的发射和接收都是通过该探头完成，因此超声波发射电路和接收电路均一端均连接探头5，另一端接单片机8，构成料位开关的其余电路都各自分别与单片机相应连接。本实施例的非接触式超声波粉体物料料位开关为整体式结构，如附图5所示，使超声波探头垂直于水泥料仓壁面安装在水泥料仓壁面2外。

采用本发明的非接触式超声波粉体物料料位开关1对运行中的水泥料仓最低料位点和最高料位点检测时，事先在水泥料仓上用本发明的非接触式超声波粉体物料料位开关1分别测量出水泥料仓加有水泥和未加有水泥时，测量超声波在水泥料仓内壁面与其内水泥之间界面18反射回波信号，和水泥料仓内壁面与其内含有粉尘气体之间界面反射回波信号，并以其作为测量比较的标定信号，存入料位开关的存储器中。

对运行中的水泥料仓最低料位点和最高料位点实时检测，启动本发明的非接触式超声波粉体物料料位开关1，由单片机8产生脉冲信号，经发射电路6驱动放大后，通过探头5发射超声波，所发射的超声波垂直射入被检测的料仓，在介质分界面反射，并由探头5接收反射回波，转换为电压信号，经接收电路7接收处理之后，送入单片机8与存入储存器的标定反射回波信号进行强度比较处理，判断水泥料仓最低料位点和最高料位点处有无水泥，并根据结果，输出相应开关信号，作为报警、加料或卸料等设备的输入信号，从而起到检测和监控的作用。

实施例2

本实施例是本发明的方法与料位开关在矿粉料仓中的应用，用于检测控制矿粉料仓中的最低料位，最低预警料位、最高料位和最高预警料位。其实施是在矿粉料仓中的最低料位，最低预警料位、最高料位和最高预警料位点各安装一个本发明的非接触式超声波粉体物料料位开关1。本实施例与实施例1相比较，除上述料位检测点数量不同之外，再就是料位开关的构成有所不同，本实施例的料位开关构成如附图2所示，相对于实施例1少了串口通信电路13、键盘电路14、显示电路15和报警电路16几个部分，除此之外，均与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其特征在于：在容器的料位检测点，从容器壁面外以垂直于容器轴线的方向对生产运行的容器按设定的时间间隔发射检测超声波，将得到的容器内壁面与其内介质之间界面处的反射回波信号，与事先测得存入储存器中的、容器在加入有粉体物料和未加入粉体物料时容器内壁面与其内介质之间界面处的标定超声波回波信号进行强度比较，判断容器料位检测点处有无粉体物料。

2.根据权利要求1所述的测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其特征在于：检测超声波回波信号与标定超声波回波信号强度比较，是通过判定检测超声波回波信号的强度是否落入标定超声波回波信号强度范围进行比较，当检测超声波回波信号强度落入标定超声波回波信号强度范围，则容器料位检测点即为事先标定时的料位状态。

3.根据权利要求2所述的测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其特征在于：所述标定超声波回波信号强度范围为标定超声波回波信号强度值上下30％的区域。

4.根据权利要求1或2或3所述的测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其特征在于：对运行中的容器发射超声波的间隔时间不少于上一次发射的超声波回波信号衰减消除的时间。

5.根据权利要求4所述的测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其特征在于：至少以容器的最低料位点或最高料位点作为容器的料位检测点。

6.根据权利要求5所述的测定容器特定料位有无粉体物料的方法，其特征在于：以容器的最低料位点、最高料位点、最低料位预警点和最高料位预警点作为容器的料位检测点。

7.实施权利要求1至6之一所述测定容器特定料位有无粉体物料方法的料位开关，其特征在于：主要包括超声波探头、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机、温度检测电路、电源电路、时钟电路和信号输出电路，超声波发射电路和接收电路均一端接探头，另一端接单片机，其余电路分别与单片机相应连接，料位开关通过安装结构使其超声波探头垂直容器轴线的安装在容器外壁面。

8.根据权利要求7所述的测定容器特定料位有无粉体物料的料位开关，其特征在于，料位开关还设计有与单片机相应连接的键盘电路、显示电路、报警电路和串口通信电路。

9.根据权利要求7或8所述的测定容器特定料位有无粉体物料的料位开关，其特征在于：所述超声波探头为二合一式超声波探头，超声波的发射和接收由同一探头完成。

10.根据权利要求9所述的测定容器特定料位有无粉体物料的料位开关，其特征在于：将料位开关安装在容器外壁面的安装结构，主要由管接头与法兰构成，管接头上部设计有耦合剂存储添加器具。

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