CN1111273C - 利用半波透射原理的超声波油罐液位自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油灌液位自动测量方法，它是利用半波透射原理的超声脉冲反射法，把超声波探头的辐射面直接耦合于油灌底部，且在探头上加Burst信号，工作在自发自收状态，发射频率、Burst波数、输出幅度以及触发时刻完全由MPU控制。依靠测量液面反射波的到达时间来确定液面的位置。其特点是探头和测试仪器均安装在容器罐的底部，易于安装、调试和校验，体积小，成本低，防爆性能好。

Description

利用半波透射原理的超声波油罐液位自动测量方法

技术领域：

本发明是一种利用半波透射原理，应用超声脉冲反射方法来自动测量油罐内液面位置的方法。

背景技术：

在石油石化企业中，高温高压储油罐的液位的无损、防暴、安装简便的自动化测量技术一直是未能很好解决的难题。

目前广泛使用的顶置式液位测量装置的主要缺点是：

(1)安装、检修时需泄压或使装置停止运行，不便于施工；

(2)传感器工作环境恶劣，寿命短；

(3)对于超声波液位测量装置，自动化程度和测量精度均不高和还具有易爆缺点。

另有美国专利US4580448公开了一种物理参数的超声波测量装置和方法，它采用超声脉冲回波方法，将超声波探头直接耦合于待测罐体的外壁，且探头工作在自发自收状态，其超声波信号的波长与容器壁厚之间满足条件 $t=K_0\mathrm{\λ}/4,$ (K₀为奇数)，或满足 $t=K_e\mathrm{\λ}/2,$ (K_e为0或偶数)。根据声学基本原理，厚度是四分之一波长或四分之一波长奇数倍的中间层所要求的透射效果还与各层介质的声阻抗有关，也就是说，要达到较好的透射效果，它还要求罐壁的声阻抗满足关系式： $Z_2=\sqrt{Z_1{Z}_3},$ 其中Z₁、Z₂、Z₃分别为超声换能器辐射面、罐壁和罐内液体的声阻抗。因此，在通常情况下，专利US4580448所提供的测量装置和方法更有利于超声波的反射而不是利于透射，由于其透射条件要求较高，增加了其工业应用的难度。

发明目的：

本发明的目的是要提供一种易安装、成本低、全自动、精度高并可与中央控制系统进行可靠数据通讯的高压密封油罐液位测量方法。

发明内容：

本发明的目的是这样实现的，将超声波探头的辐射面直接耦合于油罐的底部，探头工作在自发自收状态，依靠液面反射波的到达时间确定罐内液面位置。其测量系统包括MPU控制的Burst超声信号源、多路数字模拟转换器DAC、宽频放大器及比较器。加在超声波探头上的激励信号为Burst信号(若干个正弦波脉冲信号)，Burst信号的频率f₀要近似等于探头的谐振频率，并满足罐的壁厚透射共振条件：d₀＝V₀/2f₀(式中，d₀为容器罐的壁厚，V₀为罐壁材料的纵波波速)，激励信号的重复周期T₁应满足T₁≥2h_m/V₁，式中h_m为罐内流体的最大高度，V₁为罐内液体的纵波波速。

附图说明：

图1是超声波液位测量技术示意图。

图2是超声波液位测量系统组成原理框图。

图3是Burst信号波形的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图来详细描述本发明。

高性能Burst信号源是本发明的重要组成部分。发射频率、Burst波数、输出幅度以及触发时刻完全由MPU控制。Burst信号源(若干个正弦波脉冲信号)的波形如图3所示。图中，T₀为激励信号的周期，f₀＝1/T₀为激励信号的频率，f₀近视等于探头的谐振频率，并满足罐的壁厚透射共振条件：d₀＝V₀/2f₀，式中d₀为容器罐2的壁厚，V₀为罐壁材料的纵波速度。Burst信号源由压控振荡器VCO、可程控有源滤波器BPF、可程控放大器BGA以及互补功率放大器等组成，并且能在超声回波接收期间完全“静噪”。

在MPU控制下，测量系统以两种模式运行：

(1)扫描模式。将发射强度设定为中等，接收BGA宽带放大器的增益为最小值，为比较器提供门槛电平的多路数字模拟转换器DAC与比较器配合，检测并通过调节接收BGA宽带放大器以及Burst信号源BGA放大器使超声回波串包络幅度至极限值的75％左右。然后，不断降低比较器门槛电平。使时间检测的触发时刻不断按周期性前移，到被初始波(首波)触发后，再降低门槛电平直至被非周期的噪声触发，确定最佳门槛电平和检测时间提前量并锁定。正常情况下，扫描模式可在50～250次发射接收循环中完成。

(2)锁定模式。根据容器内液面1不会突变的特点，经扫描模式将系统的控制多数锁定在比较器正好被首波触发，时间误差≤周期/4，经系统刻度换算成液位的测量误差≤波长/8。用另外几个发射接收循环微调发射频率和BGA以保证最佳信噪比。当因某种原因造成对首波的跟踪测量丢失时(反映为测量结果的异常跳变)，系统自动进入扫描模式以便重新锁定超声回波的首波。

时间测量由MPU内部的定时器完成。定时器由发射触发命令启动并由被比较器触发的中断结束，测量结果以模拟和数字方式发往远程控制计算机系统。

由于探头和测试仪器均置于容器的底部。因此测试仪器易于安装和调试并且防爆性能好。

本发明的技术指标可达：

(1)容器壁厚：5～30mm；

(2)可测液位：0.3～10m(水，轻油)；

(3)响应时间：扫描模式≤10秒，锁定模式≤0.2秒；

(4)功耗≤5瓦。

由于探头和测试仪器3均置于容器2的底部，因此测试仪器易于安装和调试并且防爆性能好，长期自动运行，徐系统刻度外无须人工干预。

Claims (1)

1. 一种利用半波透射原理的超声波油罐液位自动测量方法，把超声波探头的辐射面直接耦合于油罐的底部，且探头工作在自发自收状态，在探头上加正弦波脉冲串信号(Burst信号)，其特征在于，由MPU控制正弦波脉冲串信号(Burst超声信号)源的发射频率、正弦波脉冲串信号(Burst)波数、输出幅度以及触发时刻、多路数字模拟转换器DAC、宽频放大器及比较器，加在探头上的正弦波脉冲串信号(Burst信号)的频率f₀要近似等于探头的谐振频率，并满足罐的壁厚透射共振条件：d₀＝V₀/2f₀，式中，d₀为容器罐的壁厚，V₀为罐壁材料的纵波波速激励信号的重复周期T₁应满足T₁≥2h_m/V₁式中，h_m为罐内流体的最大高度，V₁为罐内液体的纵波波速，依靠液面反射波的到达时间来确定液面位置。