CN107167219B - 一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统及其测量方法 - Google Patents

一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统，包括外贴超声波液位开关主机、校准探头、高位测量探头和低位测量探头，所述校准探头安装在罐体液位不能到达的空液位置或液位不会放空的有液位置的外部，高位测量探头安装在罐体的外部上部的高位报警点，低位测量探头安装在罐体的外部下部的低位报警点；校准探头、高位测量探头和低位测量探头均与外贴超声波液位开关主机相连接；本发明通过校准探头的信号与高低位测量探头的信号的比值变化来判断是否有液，可以有效的去除材质、厚度、温度、耦合层流失对信号的影响；实现更稳定可靠的测量；不再需要频繁标定设定值，安装调试工作量小，效率高，不需要进行频繁的调试。

Description

一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及罐体液位测量、报警领域，具体是一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统。
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、外测式液位开关等。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。超声波从容器内壁进入液体的声压透射系数：
式中，Z1为容器壁材料的特性阻抗，Z1＝ρ1C1，其中ρ1为容器壁材料的密度，C1为容器壁材料的声速；Z2为容器内介质的特性阻抗，Z2＝ρ2C2，其中ρ2为容器内介质的密度，C2为容器内介质的声速。
以容器壁的常用材料钢板为例，假设温度为20℃，容器内的液体为水，则根据钢的特性阻抗Z＝4.80×107kg/(m2s)，水的特性阻抗Z＝1.48×106kg/(m2s)，空气的特性阻抗Z＝415kg/(m2s)，可以计算得到，当液位低于换能器安装位置(即管壁内的介质为空气)时，D≈0.00％，而当液位超过高于换能器安装位置(即管壁内的介质为水)时，D＝5.98％。有液和无液的声压透射系数相差约为6％，因此，当容器内液面低于监测点时，由于透射系数D＝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。而当容器内液面高于监测点时，由于存在声波在液体介质中的声透射，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。可以通过容器壁中余振信号的强弱来判断液位。
现有技术中，在容器外安装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(简称信号值V信)与设定的幅值(简称设定值V设)进行比较，当信号值V信大于设定值V设时判定为液位低于监测点，而当信号值V信小于设定值V设时判定为液位高于监测点。由于罐体内壁表面变稠的粘附层、液体温度、罐体外环境温度等会发生变化，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差。而且，由于信号的幅值与每一个罐体的罐壁材质、壁厚、液体成分和温度等有关，不同罐体上的V信差别很大，需要对每个罐体进行现场标定，人工调整设定值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
本发明的目的在于提供一种通过校准探头信号幅值与高低位测量探头信号幅值的比值变化来判断是否有液的自校准的外贴超声波液位开关测量系统，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、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。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统，包括外贴超声波液位开关主机、校准探头、高位测量探头和低位测量探头，所述校准探头安装在罐体液位不能到达的空液位置或液位不会放空的有液位置的外部，高位测量探头安装在罐体外部上部的高位报警点，低位测量探头安装在罐体外部下部的低位报警点；校准探头、高位测量探头和低位测量探头均与外贴超声波液位开关主机相连接。
作为本发明进一步的方案：所述校准探头、高位测量探头和低位测量探头均为超声波探头。
作为本发明进一步的方案：所述校准探头或高位测量探头或低位测量探头表面的耦合剂流失到一段程度时，探头的信号减弱到一定程度时，外贴超声波液位开关主机会发出一个故障信号给控制系统。
一种基于权利要求1所述的自校准外贴超声波液位开关测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、吸附在罐体外壁的校准探头、高位测量探头和低位测量探头分别发射并采集罐壁内反射回来的信号；
步骤二、外贴超声波液位开关主机接收校准探头、高位测量探头和低位测量探头的信号，校准探头的信号为：V校准，高位测量探头的信号为：V高，低位测量探头的信号为：V低；
步骤三、根据V校准、V高和V低得出高位信号比值和低位信号比值，高位信号比值＝V高/V校准，低位信号比值＝V低/V校准；
步骤四、判断有液无液：如果高位信号比值或者低位信号比值高于设定比值，就被判断为无液。如果高位信号比值或者低位信号比值低于设定比值，就被判断为有液。
作为本发明进一步的方案：步骤三中校准探头的信号、高位测量探头的信号和低位测量探头的信号传输到外贴超声波液位开关主机1处理后分别在液晶屏上显示，计算高位信号比值和低位信号比值后在仪表主体液晶屏上显示；根据液晶屏上显示的信号，设定比值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过校准探头信号与高低位测量探头信号的幅度比值变化来判断是否有液，可以有效的消除材质、厚度、温度、耦合层流失对信号及液位测量的影响。实现更稳定可靠的测量；不再需要频繁标定设定值，安装调试工作量小，效率高，不需要进行频繁的调试。
2.另外本发明中探头的信号幅度大小对于测量罐内是否有液的影响较小，提高了系统的使用寿命和稳定性。
3.对于现有技术，采用的是探头接收信号幅值V信与设定幅值V设相比较的方法，当信号值V信大于设定值V设时判定为液位低于监测点，而当信号值V信小于设定值V设时判定为液位高于监测点。从如图1可以看出，虽然在相同温度下，有液和无液时的信号有明显的区别，可以通过设定合适的设定值V设实现该温度下的有效测量，但是如果温度发生变化，有液和无液时的信号值V信也会发生变化，在不改变设定值V设的情况下就容易导致液位判断的错误；同样的，如果介质发生变化，也会引起有液和无液时信号值V信的变化，在不改变设定值V设的情况下容易导致液位判断的错误。因此，现有技术存在测量范围窄，需要经常根据实际工况进行调试等缺点。而本发明采用的是高位信号比值V高/V校准和低位信号比值V低/V校准与设定比值相比较的方法，当高位信号比值或者低位信号比值高于设定比值时判定为液位低于监测点，而当高位信号比值或者低位信号比值低于设定比值时判定为液位高于监测点。由于安装在同一罐体上的校准探头、高位测量探头和低位测量探头的温度基本相同，因此，本发明实现了对温度、介质变化等引起的信号变化的自动补偿，可实现不同介质及宽温度变化范围下的有效准确测量。
附图说明
图1为现有的外贴超声波液位开关测量系统的结构示意图；
图2为现有的外贴超声波液位开关测量系统接收信号的温度影响比较；
图3为现有的外贴超声波液位开关测量系统接收信号的材质影响比较；
图4为现有的外贴超声波液位开关测量系统接收信号的罐体壁厚影响比较；
图5为自校准的外贴超声波液位开关测量系统的结构示意图(以空液校准探头为例)；
图6为自校准的外贴超声波液位开关测量系统的40℃温度下测量结果；
图7为自校准的外贴超声波液位开关测量系统的-40℃温度下测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图1-7，一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统，包括外贴超声波液位开关主机1、校准探头2、高位测量探头3和低位测量探头4，所述校准探头2安装在罐体液位不能到达的空液位置或液位不会放空的有液位置的外部，高位测量探头3安装在罐体的外部上部的高位报警点，低位测量探头4安装在罐体的外部下部的低位报警点；校准探头2、高位测量探头3和低位测量探头4均与外贴超声波液位开关主机1相连接。
上述，校准探头2的作用，主要实现对以下因素进行自动补偿：内壁表面变稠的粘附层、液体介质变化、液体温度变化、罐壁温度变化引起的信号幅度变化。
上述，校准探头2、高位测量探头3和低位测量探头4均为超声波探头，分别发射和采集罐壁内反射回来的信号。
上述，罐体可以是球型罐、卧式罐、立式罐或过程罐。
基于上述系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、吸附在罐体外壁的校准探头2、高位测量探头3和低位测量探头4分别发射和采集罐壁内反射回来的信号；
步骤二、外贴超声波液位开关主机接收校准探头、高位测量探头和低位测量探头的信号，校准探头的信号为：V校准，高位测量探头的信号为：V高，低位测量探头的信号为：V低；
步骤三、根据V校准、V高和V低得出高位信号比值和低位信号比值，高位信号比值＝V高/V校准，低位信号比值＝V低/V校准。
上述，校准探头的信号、高位测量探头的信号和低位测量探头的信号传输到外贴超声波液位开关主机1处理后分别在液晶屏上显示，计算信号的幅度比值后在仪表主体液晶屏上显示。
根据液晶屏上显示的信号，设定信号幅度的比值即设定比值。
步骤四、判断有液无液：如果高位信号比值或者低位信号比值高于设定比值，就被判断为无液，可以判断高位测量探头或低位测量探头所在高度的罐体内无液；如果高位信号比值或者低位信号比值低于设定比值，就被判断为有液，可以判断高位测量探头或低位测量探头所在高度的罐体内有液。
高位或低位信号在液位上升或者下降时会发生变化，有液位到达或者漫过探头位置时信号会下降，液位降到探头下方之后信号会上升恢复到之前的信号强度。
现有技术中外贴超声波液位开关测量系统由仪表主机1、高位探头2、低位探头3组成，由于容器内壁表面变稠的粘附层以及液体温度、罐壁温度的变化会引起接收信号幅度的变化，使得即使是在液位不变的情况下，安装后探头的信号值V信变化大，不稳定性、误动率高，工作稳定性和可靠性差。而且，由于信号的幅值与每一个罐体的罐壁材质、壁厚、液体成分和温度等有关，不同罐体上的V信差别很大，需要对每个罐体进行现场标定，人工调整设定值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。
如图2为现有的外贴超声波液位开关测量系统接收信号的温度影响比较图，是在壁厚40mm，材质为碳钢的同一无液空罐上，温度分别为40℃和-40℃下的测试结果。通过对比可明显发现其它工况不变情况下温度对探头测量信号的影响。
如图3为现有的外贴超声波液位开关测量系统接收信号的材质影响比较图，是在壁厚为10mm，材质分别为碳钢和有机玻璃的罐体上，相同温度下测得的结果，通过对比可明显发现材质对探头测量信号的影响。
如图4为现有的外贴超声波液位开关测量系统接收信号的罐体壁厚影响比较图，是在材质为碳钢，壁厚分别为10mm和60mm的罐体上，相同温度下测试的结果，通过对比可明显发现厚度对探头测量信号的影响。
本发明的原理是：将校准探头2得到的同一温度下的液位状态已知的接收采集信号作为校准信号，与高位测量探头3和低位测量探头4的信号做比对，从而克服温度变化引起的信号幅度变化对液位测量的影响，实现-40℃～100℃宽温度变化范围内的有效测量。
本发明判断液位的有无不是直接通过测量信号幅值V和设定值V之间的比较来实现，而是通过高位测量探头3与校准探头2的信号比值或低位测量探4头与校准探头2的信号比值和设定比值之间的比较来实现。由于比较的是同一温度状态下的波形，因此，无论是有液或无液，在液位状态不变的情况下，高位信号比值或低位信号比值基本上不随温度的变化而变化，从而实现了温度的自动补偿，保证了液位测量判断的正确性，从图6和图7的测量结果可以看出，40℃和-40℃时的高位信号比值和低位信号比值基本不变，证明了这一测量方法的正确性及有效性。
本发明的解决方案是：
根据接收信号的幅值V判断耦合剂的流失程度或耦合状况，当探头的信号减弱到一定程度时，外贴超声波液位开关主机1发出一个故障信号给控制系统，提醒用户给探头增加耦合剂。
上面对本专利的实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种自校准的外贴超声波液位开关测量系统的测量方法，采用的测量系统包括外贴超声波液位开关主机、校准探头、高位测量探头和低位测量探头，其特征在于，所述校准探头安装在罐体液位不能到达的空液位置或液位不会放空的有液位置的外部，高位测量探头安装在罐体的外部上部的高位报警点，低位测量探头安装在罐体的外部下部的低位报警点；校准探头、高位测量探头和低位测量探头均与外贴超声波液位开关主机相连接；
测量方法包括以下步骤：
步骤一、吸附在罐体外壁的校准探头、高位测量探头和低位测量探头分别发射和采集罐壁内壁面反射回来的信号；
步骤二、外贴超声波液位开关主机接收校准探头、高位测量探头和低位测量探头的信号，校准探头的信号为：V校准，高位测量探头的信号为：V高，低位测量探头的信号为：V低；
步骤三、根据V校准、V高和V低得出高位信号比值和低位信号比值，高位信号比值＝V高/V校准，低位信号比值＝V低/V校准；
步骤四、判断有液无液：如果高位信号比值或者低位信号比值高于设定的比值，就可以判断高位测量探头或低位测量探头所在高度的罐体内无液；如果高位信号比值或者低位信号比值低于设定的比值，就可以判断高位测量探头或低位测量探头所在高度的罐体内有液。
2.根据权利要求1所述的自校准的外贴超声波液位开关测量系统的测量方法，其特征在于，所述校准探头、高位测量探头和低位测量探头均为超声波探头。
3.根据权利要求1所述的自校准的外贴超声波液位开关测量系统的测量方法，其特征在于，所述校准探头、高位测量探头和低位测量探头均为超声波探头上均涂覆有耦合剂。
4.根据权利要求1所述的自校准的外贴超声波液位开关测量系统的测量方法，其特征在于，所述校准探头或高位测量探头或低位测量探头表面的耦合剂流失到一段程度时，探头的信号弱到一定程度时，外贴超声波液位开关主机会发出一个故障信号给控制系统。
5.根据权利要求1所述的自校准的外贴超声波液位开关测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤三中校准探头的信号、高位测量探头的信号和低位测量探头的信号传输到外贴超声波液位开关主机1处理后分别在液晶屏上显示，计算高位信号比值和低位信号比值后在仪表主体液晶屏上显示；根据液晶屏上显示的信号，设定设定比值。
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