CN115371769A - 一种外置式智能超声波液位开关及其报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外置式智能超声波液位开关及其报警方法，超声波液位开关包括仪表主机和与仪表主机连接的探头主体，探头主体包括外壳、吸盘、探头和弹簧；外壳前端设有开口，后端外侧设有转接头；吸盘设置在开口外侧边缘；探头滑动嵌接在外壳内，探头内部对称设有陶瓷片A和陶瓷片B，陶瓷片A和陶瓷片B之间填充有吸声材料，探头内部其余空间用环氧树脂灌封；弹簧一端与外壳后端内部固定连接，另一端与探头内端侧固定连接；报警方法通过智能化算法，可精确的判断出液位是否到达探头安装位置，同时避免液位开关长时间使用性能下降，导致不报警问题。

Description

一种外置式智能超声波液位开关及其报警方法

技术领域

本发明属于液位监测技术领域，特别涉及一种外置式智能超声波液位开关及其报警方法。

背景技术

在医药、石油、化工、电力、食品等行业的液位工程控制中，必须对储罐内的液位进行监控，当储罐内的液位到达上限位和下限位时，液位报警设备需要对此给出警示，此液位报警设备通常称为液位开关。当前使用的外置式液位开关普遍采用超声波检测技术，利用超声波在罐壁和介质中的穿透性，适用于多种材料容器的测试，包括合金钢、不锈钢、塑料、玻璃及各种合成材料，同时不受液体表面的泡沫、水汽的影响。

而外置式超声波液位开关普遍使用主机加多探头的测量方式，主机固定于储罐旁边的地面上，主要用于供电电压转换，参数设置，信号的产生，采集与处理，以及信号输出，探头与主机之间通过长线缆连接，探头分为发射探头和接收探头，水平安装于储罐的高位或低位，用于监测高位和低位的液位状态。发射探头和接收探头要相距较远，需要考虑保温层和焊缝的影响，安装过程比较复杂，工作量大。而且这种多探头的测量方式作用面积较广，会导致测量精度较差，往往报警值与实际液位值差别较大。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种外置式智能超声波液位开关及其报警方法，采用收发一体的复合探头，复合探头内部含上下两块压电陶瓷片作为互相独立的传感器，通过智能化算法，可精确的判断出液位是否到达探头安装位置，同时避免液位开关长时间使用性能下降，导致不报警问题。

本发明的技术方案是：一种外置式智能超声波液位开关，包括仪表主机和与所述仪表主机连接的探头主体，所述探头主体包括：

外壳，前端设有开口，后端外侧设有转接头；

吸盘，设置在所述开口外侧边缘；

探头，滑动嵌接在所述外壳内，所述探头内部对称设有陶瓷片A和陶瓷片B，所述陶瓷片A和陶瓷片B之间填充有吸声材料，陶瓷片A和陶瓷片B后端分别连接有两芯屏蔽线，所述两芯屏蔽线一端分别与陶瓷片A和陶瓷片B的正负极连接，另一端与所述转接头连接，所述探头内部其余空间用环氧树脂灌封；

弹簧，一端与所述外壳后端内部固定连接，另一端与探头内端侧固定连接，并且在无外部压力时，所述弹簧将探头外端弹伸出所述开口。

进一步地，所述陶瓷片A和陶瓷片B是材料和尺寸均相同的两块陶瓷片。

进一步地，所述仪表主机通过镀锌穿线管与所述转接头连接，所述镀锌穿线管两端分别设有防爆挠性管，两个所述防爆挠性管分别与仪表主机、转接头连接。

进一步地，所述仪表主机包括设置在防爆外壳内的硬件电路，所述硬件电路包括作为主控芯片的MCU和与所述MCU连接的发射模块、接收模块、功能选择模块、磁敏开关模块、红外模块、RS485模块、液位报警模块、故障报警模块、数据存储模块、电源管理模块和OLED，所述发射模块与接收模块分别与所述探头连接，进行信号的发射和采集；所述功能选择模块通过设置所述MCU的IO口输入电平的高低来判断液位开关类型，比如属于两线制或四线制，单监测点或双监测点；所述磁敏开关模块为采用内置磁敏电阻的开关芯片，当无磁笔靠近时输出高电平，当有磁笔靠近时输出低电平，以此方式进行参数的设置；所述红外模块采用红外接收芯片，可以接收红外遥控器发出的信号，进行参数的设置，与磁敏开关模块功能相同，可在不同场合采用不同方式进行参数的设置；所述RS485模块作为液位报警模块或故障报警模块信号输出的一种方式，客户可根据自身情况选择RS485模块输出报警或故障信号；所述数据存储模块用于存储硬件电路的参数设置数据和运行产生的日志文件；电源管理模块用于为硬件电路整体供电；所述OLED用于参数的显示，方便参数的设置。

上述一种外置式智能超声波液位开关的报警方法，包括以下步骤：

S1：将探头主体通过吸盘固定在待监测储罐外壁上，使陶瓷片A在上，陶瓷片B在下，并且陶瓷片A和陶瓷片B之间的对称线与待测储罐内液面平行；

S2：设置陶瓷片A和陶瓷片B的判断门限，设陶瓷片A所在的测量通道为通道A，陶瓷片B所在的测量通道为通道B，通道A和通道B每隔1s交替进行信号的发射和采集；

S3：通道A进行信号的发射和采集，MCU进行信号的处理和判断，MCU中采用智能判断算法，根据测量时间和测试幅值判断出环境温度对液位开关的影响，同时结合校准液位状态，得到环境温度对液位开关影响的绝对量，判断函数如下所示：

W=f1(q，t，y，T)；

其中q为校准时液位状态，t为测量时间，y为系统测量值，T为测量循环周期，W为环境温度对液位开关引起的变化量；

测量时间与测量次数对应，每单位时间会进行一次测量，系统会将测量时间t和对应系统测量值y进行存储，采用这种方式，通过不断积累测量值，可以得到测量时间和测量值的线性关系，再采用统计和拟合的方式得到测量值的变化规律，从而智能的判断出环境温度对测量值的影响，并得出环境温度对液位开关引起的变化量W的绝对值，当校准时液位状态q为无液时，W应为函数f1的极小值，当校准时液位状态q为有液时，W应为函数f1的极大值。在一定时间内随着时间推移，测量值不断积累，拟合的f1会越来越准确，但为使W始终跟进环境温度的变化，同时节省MCU存储空间，采用循环存储的方式，测量循环周期为T，即函数f1为MCU在测量循环周期T内根据校准时液位状态q，测量时间t，系统测量值y，统计归纳出的测量系统与环境温度的关系，而W为环境温度对液位开关引起的变化量；

通过函数f1得出W后，可进一步确定液位开关的判断门限，函数f2如下所示：

G1=X(n)×W；

其中，X(n)为系数，W为函数f1得出的环境变化量，G1为液位开关通道A判断门限，X(n)与W进行乘积即可得出通道A判断门限G1；

X(n)可根据历史报警值进行自动调整，调整函数如下所示：

X(n)=f2(n，V)；

其中，n为历史报警次数，V为报警时对应测量值的最大变化量；

当液位开关是报警状态时，可记录报警时对应测量值的最大变化量V，以此报警值作为液位开关的历史报警值，可根据此报警值调整上述液位引起测量值变化的判断门限G1中的系数X(n)，例如第一次安装可将系数X设置为较小的1.5，液位开关正常报警时对应测量值的最大变化量变化量为V，当V≥4*W时，可将X自动调整为2，此时判断门限为2W，接近实际变化量的一半，作为最佳判断门限，随着使用时间的增长，液位开关产生正常报警的次数增加（即n增加），以这些历史报警值作曲线得到历史报警曲线，通过历史报警曲线可以判断出液位开关的性能变化，随时做出参数调整，避免出现由于液位开关性能下降导致误报或漏报的现象；

S4：通道B采用与S3相同的方法进出判断门限值的确认，记为G2；

S5：储罐进液过程中，当液位缓慢上升至陶瓷片B（232）下沿位置时，陶瓷片B（232）采集到信号的幅值开始降低，陶瓷片A（231）采集的信号幅值仍保持不变，液位继续上升在淹没陶瓷片B（232）的过程中，陶瓷片B（232）采集到信号的幅值逐渐降低，当幅值变化超过门限G2时，陶瓷片A（231）的幅值也开始降低，此时主机可以判断液位到达了探头中心线附近，即可输出液位状态改变信号；

S6：储罐出液过程中，当液位缓慢下降至陶瓷片A（231）上沿位置时，陶瓷片A（231）采集到信号的幅值开始增大，陶瓷片B（232）采集的信号幅值仍保持不变，液位继续下降在经过陶瓷片A（231）的过程中，陶瓷片A（231）采集到信号的幅值逐渐增大，当幅值变化超过门限G1时，陶瓷片B（232）的幅值也开始降低，此时主机可以判断液位到达了探头中心线附近，即可输出液位状态改变信号。

进一步地，所述陶瓷片A和陶瓷片B分别作为自发自收的方式使用，即陶瓷片A的信号发射接收完毕后，再由陶瓷片B进行信号的发射和接收，两者不互相干扰。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.采用自主学习的功能，根据系统底噪和环境温度周期性变化自动确定判断门限，避免液位开关受环境温度影响导致误报，同时可根据历史报警值，自动优化参数，避免随使用时间增长，液位开关性能下降出现漏报的问题。

2.探头内部采用上下两个压电陶瓷片，通过两个压电陶瓷片变化的先后顺序结合自主学习的算法可准确判断出液面位置，实现精准报警。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的探头整体结构示意图；

图3是本发明的探头前端面结构示意图；

图4是本发明的探头与储罐管壁位置关系示意图；

图5是本发明的仪表主机硬件电路结构示意图。

其中，1-仪表主机、2-探头主体、21-外壳、211-开口、212-转接头、22-吸盘、23-探头、231-陶瓷片A、232-陶瓷片B、233-吸声材料、234-两芯屏蔽线、24-弹簧、3-防爆挠性管、4-镀锌穿线管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例：如图1所示，一种外置式智能超声波液位开关，包括仪表主机1和与仪表主机1连接的探头主体2。其中，如图2-3所示，探头主体2包括外壳21、吸盘22、探头23和弹簧24；外壳21前端设有开口211，后端外侧设有转接头212；吸盘22设置在开口211外侧边缘；探头23滑动嵌接在外壳21内，探头23内部对称设有陶瓷片A231和陶瓷片B232，陶瓷片A231和陶瓷片B232是材料和尺寸均相同的两块陶瓷片，陶瓷片A231和陶瓷片B232之间填充有吸声材料233，陶瓷片A231和陶瓷片B232后端分别连接有两芯屏蔽线234，两芯屏蔽线234一端分别与陶瓷片A231和陶瓷片B232的正负极连接，另一端与转接头212连接，探头23内部其余空间用环氧树脂灌封；弹簧24一端与外壳21后端内部固定连接，另一端与探头23内端侧固定连接，并且在无外部压力时，弹簧24将探头23外端弹伸出开口211；

仪表主机1通过镀锌穿线管4与转接头212连接，镀锌穿线管4两端分别设有防爆挠性管3，两个防爆挠性管3分别与仪表主机1、转接头212连接；仪表主机1包括设置在防爆外壳内的硬件电路，如图5所示，硬件电路包括作为主控芯片的MCU和与MCU连接的发射模块、接收模块、功能选择模块、磁敏开关模块、红外模块、RS485模块、液位报警模块、故障报警模块、数据存储模块、电源管理模块和OLED，发射模块与接收模块分别与探头23连接，进行信号的发射和采集；功能选择模块通过设置MCU的IO口输入电平的高低来判断液位开关类型，比如属于两线制或四线制，单监测点或双监测点；磁敏开关模块为采用内置磁敏电阻的开关芯片，当无磁笔靠近时输出高电平，当有磁笔靠近时输出低电平，以此方式进行参数的设置；红外模块采用红外接收芯片，可以接收红外遥控器发出的信号，进行参数的设置，与磁敏开关模块功能相同，可在不同场合采用不同方式进行参数的设置；RS485模块作为液位报警模块或故障报警模块信号输出的一种方式，客户可根据自身情况选择RS485模块输出报警或故障信号；数据存储模块用于存储硬件电路的参数设置数据和运行产生的日志文件；电源管理模块用于为硬件电路整体供电；OLED用于参数的显示，方便参数的设置。

上述实施例中一种外置式智能超声波液位开关的报警方法，包括以下步骤：

S1：如图4所示，将探头主体2通过吸盘22固定在待监测储罐外壁上，使陶瓷片A231在上，陶瓷片B232在下，并且陶瓷片A231和陶瓷片B232之间的对称线与待测储罐内液面平行；

S2：设置陶瓷片A231和陶瓷片B232的判断门限，设陶瓷片A231所在的测量通道为通道A，陶瓷片B232所在的测量通道为通道B，通道A和通道B每隔1s交替进行信号的发射和采集，陶瓷片A231和陶瓷片B232分别作为自发自收的方式使用，即陶瓷片A231的信号发射接收完毕后，再由陶瓷片B232进行信号的发射和接收，两者不互相干扰；

S3：通道A进行信号的发射和采集，MCU进行信号的处理和判断，MCU中采用智能判断算法，根据测量时间和测试幅值判断出环境温度对液位开关的影响，同时结合校准液位状态，得到环境温度对液位开关影响的绝对量，判断函数如下所示：

W=f1(q，t，y，T)；

其中q为校准时液位状态，t为测量时间，y为系统测量值，T为测量循环周期，W为环境温度对液位开关引起的变化量；

测量时间与测量次数对应，每单位时间会进行一次测量，系统会将测量时间t和对应系统测量值y进行存储，采用这种方式，通过不断积累测量值，可以得到测量时间和测量值的线性关系，再采用统计和拟合的方式得到测量值的变化规律，从而智能的判断出环境温度对测量值的影响，并得出环境温度对液位开关引起的变化量W的绝对值，当校准时液位状态q为无液时，W应为函数f1的极小值，当校准时液位状态q为有液时，W应为函数f1的极大值。在一定时间内随着时间推移，测量值不断积累，拟合的f1会越来越准确，但为使W始终跟进环境温度的变化，同时节省MCU存储空间，采用循环存储的方式，测量循环周期为T，即函数f1为MCU在测量循环周期T内根据校准时液位状态q，测量时间t，系统测量值y，统计归纳出的测量系统与环境温度的关系，而W为环境温度对液位开关引起的变化量；

通过函数f1得出W后，可进一步确定液位开关的判断门限，函数f2如下所示：

G1=X(n)×W；

其中，X(n)为系数，W为函数f1得出的环境变化量，G1为液位开关通道A判断门限，X(n)与W进行乘积即可得出通道A判断门限G1；

X(n)可根据历史报警值进行自动调整，调整函数如下所示：

X(n)=f2(n，V)；

其中，n为历史报警次数，V为报警时对应测量值的最大变化量；

当液位开关是报警状态时，可记录报警时对应测量值的最大变化量V，以此报警值作为液位开关的历史报警值，可根据此报警值调整上述液位引起测量值变化的判断门限G1中的系数X(n)，例如第一次安装可将系数X设置为较小的1.5，液位开关正常报警时对应测量值的最大变化量变化量为V，当V≥4*W时，可将X自动调整为2，此时判断门限为2W，接近实际变化量的一半，作为最佳判断门限，随着使用时间的增长，液位开关产生正常报警的次数增加（即n增加），以这些历史报警值作曲线得到历史报警曲线，通过历史报警曲线可以判断出液位开关的性能变化，随时做出参数调整，避免出现由于液位开关性能下降导致误报或漏报的现象；

S4：通道B采用与S3相同的方法进出判断门限值的确认，记为G2；

S5：储罐进液过程中，当液位缓慢上升至陶瓷片B（232）下沿位置时，陶瓷片B（232）采集到信号的幅值开始降低，陶瓷片A（231）采集的信号幅值仍保持不变，液位继续上升在淹没陶瓷片B（232）的过程中，陶瓷片B（232）采集到信号的幅值逐渐降低，当幅值变化超过门限G2时，陶瓷片A（231）的幅值也开始降低，此时主机可以判断液位到达了探头中心线附近，即可输出液位状态改变信号；

S6：储罐出液过程中，当液位缓慢下降至陶瓷片A（231）上沿位置时，陶瓷片A（231）采集到信号的幅值开始增大，陶瓷片B（232）采集的信号幅值仍保持不变，液位继续下降在经过陶瓷片A（231）的过程中，陶瓷片A（231）采集到信号的幅值逐渐增大，当幅值变化超过门限G1时，陶瓷片B（232）的幅值也开始降低，此时主机可以判断液位到达了探头中心线附近，即可输出液位状态改变信号。

上述电子元件的具体型号未作特殊指定，均可以选用市售的普通产品，只要能够满足本发明的使用需求即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种外置式智能超声波液位开关，包括仪表主机（1）和与所述仪表主机（1）连接的探头主体（2），其特征在于，所述探头主体（2）包括：

外壳（21），前端设有开口（211），后端外侧设有转接头（212）；

吸盘（22），设置在所述开口（211）外侧边缘；

探头（23），滑动嵌接在所述外壳（21）内，所述探头（23）内部对称设有陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232），所述陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232）之间填充有吸声材料（233），陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232）后端分别连接有两芯屏蔽线（234），所述两芯屏蔽线（234）一端分别与陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232）的正负极连接，另一端与所述转接头（212）连接，所述探头（23）内部其余空间用环氧树脂灌封；

弹簧（24），一端与所述外壳（21）后端内部固定连接，另一端与探头（23）内端侧固定连接，并且在无外部压力时，所述弹簧（24）将探头（23）外端弹伸出所述开口（211）。

2.如权利要求1所述的一种外置式智能超声波液位开关，其特征在于，所述陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232）是材料和尺寸均相同的两块陶瓷片。

3.如权利要求1所述的一种外置式智能超声波液位开关，其特征在于，所述仪表主机（1）通过镀锌穿线管（4）与所述转接头（212）连接，所述镀锌穿线管（4）两端分别设有防爆挠性管（3），两个所述防爆挠性管（3）分别与仪表主机（1）、转接头（212）连接。

4.如权利要求1所述的一种外置式智能超声波液位开关，其特征在于，所述仪表主机（1）包括设置在防爆外壳内的硬件电路，所述硬件电路包括作为主控芯片的MCU和与所述MCU连接的发射模块、接收模块、功能选择模块、磁敏开关模块、红外模块、RS485模块、液位报警模块、故障报警模块、数据存储模块、电源管理模块和OLED，所述发射模块与接收模块分别与所述探头（23）连接；所述磁敏开关模块为采用内置磁敏电阻的开关芯片；所述红外模块采用红外接收芯片。

5.如权利要求4所述一种外置式智能超声波液位开关的报警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将探头主体（2）通过吸盘（22）固定在待监测储罐外壁上，使陶瓷片A（231）在上，陶瓷片B（232）在下，并且陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232）之间的对称线与待测储罐内液面平行；

S2：设置陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232）的判断门限，设陶瓷片A（231）所在的测量通道为通道A，陶瓷片B（232）所在的测量通道为通道B，通道A和通道B每隔1s交替进行信号的发射和采集；

S3：通道A进行信号的发射和采集，MCU进行信号的处理和判断，MCU中采用智能判断算法，根据测量时间和测试幅值判断出环境温度对液位开关的影响，同时结合校准液位状态，得到环境温度对液位开关影响的绝对量，判断函数如下所示：

W=f1(q，t，y，T)；

其中q为校准时液位状态，t为测量时间，y为系统测量值，T为测量循环周期，W为环境温度对液位开关引起的变化量；

测量时间与测量次数对应，每单位时间会进行一次测量，系统会将测量时间t和对应系统测量值y进行存储，采用这种方式，通过不断积累测量值，得到测量时间和测量值的线性关系，再采用统计和拟合的方式得到测量值的变化规律，从而智能的判断出环境温度对测量值的影响，并得出环境温度对液位开关引起的变化量W的绝对值，当校准时液位状态q为无液时，W应为函数f1的极小值，当校准时液位状态q为有液时，W应为函数f1的极大值；在一定时间内随着时间推移，测量值不断积累，拟合的f1会越来越准确，但为使W始终跟进环境温度的变化，同时节省MCU存储空间，采用循环存储的方式，测量循环周期为T，即函数f1为MCU在测量循环周期T内根据校准时液位状态q，测量时间t，系统测量值y，统计归纳出的测量系统与环境温度的关系，而W为环境温度对液位开关引起的变化量；

通过函数f1得出W后，进一步确定液位开关的判断门限，函数f2如下所示：

G1=X(n)×W；

其中，X(n)为系数，W为函数f1得出的环境变化量，G1为液位开关通道A判断门限，X(n)与W进行乘积即可得出通道A判断门限G1；

X(n)根据历史报警值进行自动调整，调整函数如下所示：

X(n)=f2(n，V)；

其中，n为历史报警次数，V为报警时对应测量值的最大变化量；

当液位开关是报警状态时，记录报警时对应测量值的最大变化量V，以此报警值作为液位开关的历史报警值，根据此报警值调整上述液位引起测量值变化的判断门限G1中的系数X(n)，第一次安装时，将系数X设置为1.5，液位开关正常报警时对应测量值的最大变化量变化量为V，当V≥4*W时，将X自动调整为2，此时判断门限为2W，接近实际变化量的一半，作为最佳判断门限，随着使用时间的增长，液位开关产生正常报警的次数增加，即n增加，以这些历史报警值作曲线得到历史报警曲线，通过历史报警曲线判断出液位开关的性能变化，随时做出参数调整，避免出现由于液位开关性能下降导致误报或漏报的现象；

S4：通道B采用与S3相同的方法进出判断门限值的确认，记为G2；

S5：储罐进液过程中，当液位缓慢上升至陶瓷片B（232）下沿位置时，陶瓷片B（232）采集到信号的幅值开始降低，陶瓷片A（231）采集的信号幅值仍保持不变，液位继续上升在淹没陶瓷片B（232）的过程中，陶瓷片B（232）采集到信号的幅值逐渐降低，当幅值变化超过门限G2时，陶瓷片A（231）的幅值也开始降低，此时主机判断液位到达了探头中心线附近，即可输出液位状态改变信号；

S6：储罐出液过程中，当液位缓慢下降至陶瓷片A（231）上沿位置时，陶瓷片A（231）采集到信号的幅值开始增大，陶瓷片B（232）采集的信号幅值仍保持不变，液位继续下降在经过陶瓷片A（231）的过程中，陶瓷片A（231）采集到信号的幅值逐渐增大，当幅值变化超过门限G1时，陶瓷片B（232）的幅值也开始降低，此时主机判断液位到达了探头中心线附近，即可输出液位状态改变信号。

6.如权利要求5所述的一种外置式智能超声波液位开关的报警方法，其特征在于，所述陶瓷片A（231）和陶瓷片B（232）分别作为自发自收的方式使用，即陶瓷片A（231）的信号发射接收完毕后，再由陶瓷片B（232）进行信号的发射和接收，两者不互相干扰。

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