CN1348091A

CN1348091A - 一种利用超声波检测容器定点液位的方法

Info

Publication number: CN1348091A
Application number: CN 01133683
Authority: CN
Inventors: 马志敏
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: CN1174225C

Abstract

一种利用超声波检测容器定点液位的方法,其特征是:1.1利用耦合在容器外壁的超声波传感器经容器壁向容器内发射高频脉冲超声波;1.2用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振能量,即测出余振能量的变化;1.3将实际测得的余振能量的信号以及衰减特征与预先整定好的余振能量信号特征值进行比较,以确定容器内液位是否达到控制点;1.3.1当测得余振能量信号持续时间短,余振能量信号衰减快,即液位达到或超过测量控制点;1.3.2当测得余振能量信号持续时间长,余振能量信号衰减慢,即液位低于测量控制点;1.4根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。

Description

一种利用超声波检测容器定点液位的方法

技术领域

本发明涉及一种利用超声波检测容器定点液位的方法。

背景技术

在许多工业现场，密闭容器或压力容器内部液位的高低位指示与报警对于生产运行的控制和生产的安全具有十分重要的意义。由于容器工作条件的特殊性，非介入式检测方法，因其安装方便、不承压、无污染、无腐蚀，易做成防爆结构而受到用户欢迎。尤其对于盛装高压、易燃易爆和强腐蚀性液体的容器，往往非介入式是首选的方法，甚至在一些高压容器中，出于结构的安全角度考虑和有关安全规范的规定，不允许在这些容器中增开设备安装孔。由于现有的同类检测方法所采用的检测装置安装麻烦、可靠性差而影响了该检测方法的推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用超声波检测容器定点液位的方法，该方法利用气、液态介质对声波透射率的不同导致残留在容器壁内的余振信号的能量差异来进行液位指示或报警，从而能获得很好的安全性和可靠性，其装置安装起来也极为方便。解决本技术问题的技术方案是：一种利用超声波检测容器定点液位的方法，其特征是：1.1利用耦合在容器外壁的超声波传感器经容器壁向容器内发射高频脉冲超声波；1.2用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振能量信号，即测出余振能量信号的变化；1.3将实际测得的余振能量的信号以及衰减特征与预先整定好的余振能量信号标准特征值进行比较，以确定容器内液位是否达到控制点；1.3.1当测得余振能量持续时间短，余振能量信号衰减快，即液位达到或超过测量控制点；1.3.2当测得余振能量持续时间长，余振能量信号衰减慢，即液位低于测量控制点；1.4根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。而且，2.1用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振信号持续时间的长短；2.2将实际测得的余振信号持续时间以及衰减速度与预先整定好的标准特征值进行比较，以确定容器内液位是否达到控制点；2.2.1当测得余振持续时间短，余振信号衰减快，T≤T_F，K≤K_F，即液位达到或超过测量控制点；2.2.2当测得余振持续时间长，余振信号衰减慢，T≥T_E，K≥K_E，即液位低于测量控制点；2.4根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。在本技术方案中，当对应声波入射点处的容器内部的工作介质不同时，声波的透射作用的大小也是不同的，尤其在气、液态介质两种情况下透射率的大小迥然不同，所以两种工况下残留在容器壁内的余振信号的能量相差甚远。以水和空气二种介质为例，由钢板(当容器壁为钢板时)到水的声透射率为9.7×10^-2，而由钢板到空气的声透射率则仅为1.9×10^-5。显然，对于前者来说，钢板内的声波在经历若干次反射后，大部分能量透射到液体介质中，而对于后者来说，则大部分能量滞留在钢板内来回反射，直至逐渐衰减耗尽为止。因此，对前者来说，其钢板内的余振信号衰减快，持续时间短；对后者来说，钢板内的余振信号衰减慢，持续时间长。因此，本技术方案通过检测容器壁(钢板)内的余振能量的变化或其信号衰减的速度，即余振能量持续时间的长短进而判定容器内部液位是否达到测量控制点。实测试验结果表明，两种工况(液位达到控制点和液位低于控制点)下余振信号衰减时间之比可达5∶1～10∶1，因此足以可靠地分辨容器内液位是否达到控制限。

附图说明

图1是本发明所述方法的应用示意图。

图2是液位达到或高于控制点的余振及余振信号波形图。

图3是液位低于控制点的余振及余振信号波形图。

图4是本发明所用装置的一种实施例的示意框图。

图5是本发明所用装置的第二种实施例的示意框图。

图6是液位达到或高于控制点时余振信号包络波及比较器输出方波的波形图。

图7是液位低于控制点时余振信号包络波及比较器输出方波的波形图。

图8是液位达到或高于控制点时余振信号包络波的积分输出(上图)与比较器输出(下图)关系的示意图。

图9是液位低于控制点时余振信号包络波的积分输出(上图)与比较器输出(下图)关系的示意图。

具体实施方式

参照图1～图9，本发明所述的方法按以下步骤进行：1.1利用耦合在容器外壁的超声波传感器1经容器壁10向容器内发射高频脉冲超声波；1.2用超声波传感器1检测容器壁10中的超声波余振能量信号，即测出余振能量信号的变化；1.3将实际测得的余振能量的信号以及衰减特征与预先整定好的余振能量信号标准特征值进行比较，以确定容器内液位11是否达到控制点；1.3.1当测得余振能量持续时间短，余振能量信号衰减快，即液位11达到或超过测量控制点；1.3.2当测得余振能量持续时间长，余振能量信号衰减慢，即液位11低于测量控制点；1.4根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。除检测余振能量信号外，还可以检测余振信号的持续时间，即进一步的技术方案可以是以下第二种实施例：2.1用超声波传感器1检测容器壁10中的超声波余振信号持续时间的长短；2.2将实际测得的余振信号持续时间以及衰减速度与预先整定好的标准特征值进行比较，以确定容器内液位11是否达到控制点；2.2.1当测得余振持续时间短，余振信号衰减快，T≤T_f，K≤K_f，即液位11达到或超过测量控制点；2.2.2当测得余振持续时间长，余振信号衰减慢，T≥T_e，K≥K_e，即液位11低于测量控制点；然后，根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。所述的容器壁10可以是钢板或其他非金属材料；超声波高频脉冲的频率范围是1～5M Hz。其中：T_e、K_e为液位11低于控制点时衰减时间的特征值，T_f、K_f则为达到或高干控制点时衰减时间的特征值。由于不同的容器壁厚，余振的衰减时间会有所不同，因而最好不要以一个相同的标准特征值作为所有容器液位11状况判定的标准，故建议建立各容器自身的标准特征值，具体可按以下步骤进行：多次测量容器满罐时的特征值T_fi和K_fi以及空罐时的特征值T_ei和K_ei，其中，T_fi、K_fi为液位11达到或高于控制点时的衰减时间特征值；T_ei、K_ei为液位11低于控制点时的衰减时间特征值，i＝1，2，…，n；

按下式取平均值并作为参比标准特征值：

T_f＝K₀(∑T_fi)/n

K_f＝K₀(∑K_fi)/n

T_e＝K₁(∑T_ei)/n

K_e＝K₁(∑K_ei)/n

n≤100，K₀＝1.10～1.30，K₁＝0.75～0.95。

由于传感器性能的老化、耦合剂的挥发、容器外壁钢板的腐蚀等因素都会随着时间而变化，进而影响余振信号衰减特征值和装置长期工作的可靠性，为了避免可能产生的误判，建议：将一段时间内测量得到的特征值与历史标准特征值进行加权平均，以得到修正后的新标准特征值，即：

K_eNEW＝K₂·K_e+K₃·K_eOLD

T_eNEW＝K₂·T_e+K₃·T_eOLD

K_fNEW＝K₂·K_f+K₃·K_fOLD

T_fNEW＝K₂·T_f+K₃·K_fOLD

其中：T_e、K_e为近期测得的空罐时相应特征值，K_f、T_f为近期测得的满罐时相应特征值，K₂、K₃为加权系数，K₂＝0.05～0.10，K₃＝0.90～0.95，K_eOLD、T_eOLD、K_fOLD为相应历史标准特征值。

将实际测得的余振信号持续时间以及衰减速度与预先整定好的新特征值进行比较，即通过对参量的自动跟踪修正，排除因老化、挥发和腐蚀等因素对特征值的影响。本发明所应用的装置(见图1、图4和图5)可包括：超声波传感器1、发射电路2、接收放大电路3、检波电路4、积分器4′(仅实施例一有)、电平比较电路5、单片机电路6、存储器7、报警指示电路8以及远程通信电路9等部分。由于各部分本身属现有技术中的较典型的电路，故对各电路本身不作进一步赘述。各部分的功能如下：

发射电路2的作用是在单片机电路6的控制下，产生高频脉冲信号，激励超声波传感器1。超声波传感器1的作用是在发射电压的激励下产生高频脉冲超声波并耦合到容器的外壁上，与此同时，传感器1还将接收容器外壁钢板中的超声波余振信号转换成电信号并馈入接收放大器电路3。

放大电路3的作用是将微弱的余振信号放大，以提高测时范围，从而提高测时的可靠性。

检波电路4的作用是将放大后的余振信号整定成单极性信号，并滤除高频分量，从而得到余振信号的正半边包络波(见图6、图7，二图从上至下分别表示检波输出、比较器1输出和比较器2输出)。

比较电路5的作用是根据事先设置好的比较电平将包络信号整成两个方波信号(见图6、图7)，方波V₁的宽度为T₁，对应于余振信号衰减为饱和幅度的90％的时间。方波V₂的宽度为T₂，对应于余振信号衰减为饱和幅度的10％的时间，并由单片机测量出T₁和T₂的大小。

单片机6作为智能部件，其作用是：1.控制定时进行超声波的的发射；2.测量余振信号的衰减时间T₁和T₂并计算出T＝(T₁+T₂)/2，K＝(T₂-T₁)/T，由此对容器的液位进行判断。当T≥T_e，且K≥K_e时，可判定此液位低于控制点；反之，若T≤T_f且K≤K_f时，则可判定液位11达到或超过控制点，其中，T_e、K_e为液位低于控制点时衰减时间的特征值，T_f、K_f则为液位11达到或高于控制点时衰减时间的特征值。其它情况下，则保持当前的指示与报警状态不变。3.控制报警指示电路8和继电器输出信号；4.远程通信管理，以便及时将设备的工况信息传给系统控制中心；5.进行实测对象余振信号特征值的自动整定和自适应跟踪，并及时将系统新的特征值保存到存储器7中，作为后面检测判断的依据。

存储器7的作用是存放不同工况(有液位和无液位)下的余振信号衰减时间的标准特征值。

积分器4′(见图4，仅实施例一有)的作用是对余振信号的包络波进行积分，各种工况下积分器4′的输出与包络波的关系可参见图6～图9，积分器4′的输出送给比较器，并与事先整定好的特征值进行比较，以确定液位是否达到控制点。图4所示其余各部分的作用与图5(实施例二)相同。

Claims

1.一种利用超声波检测容器定点液位的方法，其特征是：

1.1利用耦合在容器外壁的超声波传感器经容器壁向容器内发射高频脉冲超声波；

1.2用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振能量，即测出余振能量的变化；

1.3将实际测得的余振能量的信号以及衰减特征与预先整定好的余振能量信号特征值进行比较，以确定容器内液位是否达到控制点；

1.3.1当测得余振能量信号持续时间短，余振能量信号衰减快，即液位达到或超过测量控制点；

1.3.2当测得余振能量信号持续时间长，余振能量信号衰减慢，即液位低于测量控制点；

1.4根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：

2.1用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振信号持续时间的长短；

2.2将实际测得的余振信号持续时间以及衰减速度与预先整定好的标准特征值进行比较，以确定容器内液位是否达到控制点；

2.2.1当测得余振持续时间短，余振信号衰减快，T≤T_f，K≤K_f，即液位达到或超过测量控制点；

2.2.2当测得余振持续时间长，余振信号衰减慢，T≥T_e，K≥K_e，即液位低于测量控制点；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：按以下步骤整定各该容器的标准特征值：

3.1多次测量容器满罐时的特征值T_fi和K_fi以及空罐时的特征值T_ei和K_ei，其中，T_fi、K_fi为液位达到或高于控制点时的衰减时间特征值；T_ei、K_ei为液位低于控制点时的衰减时间特征值，i＝1，2，…，n；

3.2按下式取平均值并作为标准特征值：

T_f＝K₀(∑T_fi)/n

K_f＝K₀(∑K_fi)/n

T_e＝K₁(∑T_ei)/n

K_e＝K₁(∑K_ei)/n

n≤100，K₀＝1.10～1.30，K₁＝0.75～0.95。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是：

4.1将一段时间内测量得到的特征值与历史标准特征值进行加权平均，以得到修正后的新标准特征值，即：

K_eNEW＝K₂·K_e+K₃·K_eOLD

T_eNEW＝K₂·T_e+K₃·T_eOLD

K_fNEW＝K₂·K_f+K₃·K_fOLD

T_fNEW＝K₂·T_f+K₃·K_fOLD

其中：T_e、K_e为近期测得的空罐时相应特征值，K_f、T_f为近期测得的满罐时相应特征值，K₂、K₃为加权系数，K₂＝0.05-0.10，K₃＝0.90-0.95，K_eOLD、T_eOLD、K_fOLD为相应历史标准特征值。

4.2以修正后的新特征值取代历史特征值，以排除因老化、挥发和腐蚀等因素对特征值的影响。