CN1350164A

CN1350164A - 超声波测量大型油罐液位的方法

Info

Publication number: CN1350164A
Application number: CN 00129888
Authority: CN
Inventors: 鲁思宁; 鲁智
Original assignee: BEIJING TELI ACOUSTIC TECHN Co Ltd
Current assignee: BEIJING TELI ACOUSTIC TECHN Co Ltd
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-22
Also published as: WO2002035190A1; AU2001223436A1

Abstract

一种超声波测量大型油罐液位的方法,其特征是在本安防爆条件下,微机令发射器向液面发射的超声波脉冲信号,其强度是按从弱到强依次递增,或者按从强到弱依次递减,直到接收器收到液面回波为止。同现有技术比较,本发明的优点是用本方法制成的超声波测位仪能测量大型油罐的液位,其防爆等级为ia II CT6本安型,测量精度优于实测距离的0.2%,测量盲区不大于15cm,及智能化、自动化程度高,仪器操作方便,经验证应用本方法制成的仪器是目前唯一能测量大型油罐液位的超声波测位仪。而现有的超声波测位仪对于大型油罐液位的测量是无能为力的。

Description

超声波测量大型油罐液位的方法

本发明涉及一种利用超声波的反射测量距离的系统，特别涉及一种超声波测量大型油罐液位的方法。

利用超声波测距或测量物位都是由载波、方形调制脉冲波，由载波和方形调制脉冲波构成的有方形包络的已调脉冲波，放大，发射器向被测目标发射超声波脉冲信号，反射波从被测目标反射返回由接收器接收，经放大，检波，比较整形，数据处理，给出动态盲区或者选通窗口，物位显示，根据超声波自发射器至被测目标往返一次所需的周期时间确定目标的距离。为精确测定距离，要求超声波的分辨能力要高，周期时间测量的精确度高，为实现远距离测量，要求探测能力强，同时还要求消除环境噪声和料罐内各种虚假回波的干扰。

为提高超声波测位仪的综合性能，人们提出了许多改进方案，研制出性能较好的测位仪，如加拿大妙声力(Milltronics)公司，德国的Enrerss+Hauser公司和Vegason公司等国际上著名公司，他们的超声波测位仪都毫无例外地采用加大发射超声波信号的能量，即提高激励发射器的脉冲电压、增大脉冲宽度的方法，以取得最强的目标回波，其负面作用是使物料贮罐内产生许多虚假回波，如贮罐侧壁回波，罐内固有结构物回波，以及由于罐顶不同形状引起的多次回波等，这些虚假回波给物料测位带来许多困难，于是在软件和硬件方面采取了许多具有实效的技术措施，以解决虚假回波造成的困扰，如有的公司预先在空罐内标记好这些虚假回波并把它们存贮起来，而Miltronics公司则利用超声波随传播距离按指数衰减的规律率先建立数学模型，凡是符合该规律的回波信号是真回波，否则为虚假回波。上述措施使超声波测位技术应用领域不断扩大。

众所周知，提高激励发射器的脉冲电压，增加脉冲宽度，有助于远距离的测量，但是伴随着回波信号增强的同时，贮罐内侧壁回波、固有结构物的回波、罐顶形状造成的反射回波和多次回波等虚假回波也随之增强了，并且变得更为复杂了，即使能够消除虚假回波的困扰，面对油罐要求超声波能量不得超过本安限定的19微焦尔这一特殊防爆要求，采用上述增强发射超声波能量的方法是行不通的，因此至今没有出现能测量大型油罐液位的超声波仪器。

本发明的目的在于提供一种超声波测量大型油罐液位的方法，发射器向液面发射的脉冲信号波是微能量超声波，微能量超声波能有效地避免了油罐内虚假回波的干扰，采用低于19微焦尔的微能量超声波既可满足油罐安全防爆的要求，同时也使仪器结构大为简化，成本降低，智能化和自动化程度提高。

以下详细叙述本发明的具体内容：

一种超声波测量大型油罐液位的方法，包括产生载波，方形调制脉冲波，由载波和方形调制脉冲波构成的有方形包络的已调波，放大，发射器向目标所发射的脉冲信号波由被测目标反射返回，经放大，检波，比较整形，数据处理，给出动态盲区或选通窗口，物位显示，其特征在于：在本质安全防爆条件下，微机令发射器向液面发射的超声波脉冲信号其强度是按从弱到强的方式依次递增，或者按从强到弱依次递减，直到接收器收到液面回波信号为止；发射器所发射的超声波脉冲信号其强度变化是由微机自动变更发射器的激励电压脉冲宽度实现的，且该电压脉冲宽度是随液位变化而变化的；发射器所发射的超声波脉冲信号其强度变化是由微机自动变更发射器的激励电压脉冲幅度实现的，且该电压脉冲幅度是随液位变化而变化的；发射器所发射的超声波脉冲信号其强度变化是由微机自动同时变更发射器的激励电压脉冲的宽度和幅度实现的，且该电压脉冲的宽度和幅度是随液位变化而变化的。

以下参照附图对本发明优选实施例进行详细描述，以便进一步了解本发明的其它的优点和特征。

根据超声波声压随传播距离按指数衰减的规律变化，其计算公式为

P = P_{0} \frac{1}{2 h} e^{- 2 ah}

式中h为超声波传播距离；

P₀为距离h＝1m处的声压值；

P为距离声源h处的声压值；

α为介质对声波的吸声系数。

发射器F向被测目标接收器F′发射微能量超声波，该微能量超声波在介质中随传播距离按指数规律衰减，如图1所示，图中A、B、C分别表示不同能量的超声波在介质中随距离衰减的情形，其中A、B表明超声波能量在介质中到达接收器F′前已衰减殆尽，没有目标回波，C有回波且被接收器收到。图中虚线Pa、Pb、Pc分别表示上述不同能量的超声波声强随传播距离的衰减变化过程。

实现本发明的方法可采用如图2所示的装置电路图，该装置由含有分频器IC2的微机最小单元1，发射控制单元2，发射放大单元3，变压器T，发射器及接收器F，接收放大器4，检波器5，比较整形器6，显示器H组成，中央控制器IC1将程序存贮器ROM中的模式编号做为发射指令送到分频器IC2，该模式编号中含有激励发射器的脉冲信号由窄到宽依次递增和由宽到窄依次减的调制波的设定参数，及与发射器相匹配的发射脉冲频率和操作指令，分频器IC2当收到指令时由其OUT1口立即按程序设定的脉冲宽度给出调制负脉冲信号，该负脉冲信号经与非门22反相后成为正脉冲调制信号，且同时分两路送出、一路经电平转换器25分别送到与门26的输入端脚5和与门27的脚1，另一路送到分频器IC2的GATEO口开启载波信号，分频器IC2的OUT0口按调制信号波脉冲宽度所控制的开启时间长短发出载波脉冲信号，该信号一路经电平转换器23送至与门26的脚6，另一路经与非门21和电平转换器24送至与门27的脚2，当与门26的脚6或者与门27的脚2之一为高电位时其相应的与门被接通，由于载波脉冲信号高低电位周期性的变换，于是与门26、27也相应地周期性地接通，并由其输出端脚4和脚3分别输出正脉冲信号，该脉冲信号送到放大单元3中的两个场效应管放大器31或32的相应的输入栅极，来激励相应的放大器，两个放大器按载波脉冲信号周期交替地将信号放大，并按调制脉冲信号宽度来截止工作，发射控制单元2和放大单元3将载波和方形调制脉冲波合成为有方形包络的已调波经变压器T激励发射器F发射超声波，变压器T的初级绕组的两端，分别接两个场效应管31、32的漏极，变压器T初级绕组的中心抽头分别接电阻R和电容C的一端，电阻R的另一端接直流电源+Vcc，电容C的另一端接地，变压器T的次级绕组的一端与发射器和接收器F的接地端连接，其另一端与发射器和接收器F的信号端连接，电激励信号其脉冲宽度从1μs到512μs之间变化，该脉冲宽度由微机自动变更，因而所发射的能量也自动变更。信号端与接收放大器4的输入端连接，当接收器收到回波信号时，该信号经放大器4、检波器5和比较整形器6后送至中央控制器IC1的INT0中断口，中央控制器IC1记下中断时间，并依据超声波往返所需时间计算出距离，同时依据所测距离给出动态盲区或者选通窗口，采用动态盲区或者选通窗口防止虚假回波的干扰。当液面回波信号引起中央控制器IC1中断时，中央控制器IC1将信号数据送到数据存贮器RAM中，同时进行数据处理，处理后的数据通过P16口送显示器H显示，上述中央控制器IC1采用8032，分频器IC2采用8253，其中IC1与ROM、RAM及分频器IC2之间按常规方式连接。

不同级别的本质安全型(本安)仪表运行的安全能量必须小于相应级别的最小点燃能量，见下表：

类别	级别	最小点燃能量(μj)微焦尔
类别	级别	最小点燃能量(μj)微焦尔	1		280
II	IIA	200	1		280
	IIA	200	IIB	60
	IIC	19	IIB	60

同现有技术比较，本发明有如下突出优点：

1、本发明的方法是以很微弱的能量发射超声波信号，其波束主瓣很窄旁瓣极小，不会在波瓣旁侧方向上的罐体侧壁产生回波，更不会引起多次反射回波，因此在搜索目标过程中按照运行程序所测到的回波只能是真正的液面回波。由于微能量超声波不产生虚假回波，使真正液面回波清楚地显示出来，因而可使比较整形器的阈值设置很低，是传统技术阈值的2％以下，低阈值不仅能测到回波到达的时刻更接近真值，提高了测量精度，而且阈值越低探测距离越大，唯有微能量超声波才能获得低阈值，本发明方法的测量精度始终优于实测距离的0.2％，而传统方法当测量距离为全量程(F、S)时，测量精度为0.25％，随着实测距离减小，其测量精度降低。

2、在整个测量过程中，微机自动提供与被测距离相适应的最佳超声波能量，该能量是随液位变化而变化的。

3、采用本发明的方法可使盲区减小50％，其原因是微弱能量产生的发射脉冲信号拖尾极小及比较整形器的阈值很低。

4、微能量超声波技术的应用，为超声波测量技术的进步，提供一个新的发展空间。

图面说明：

图1为本方法的油位目标搜索过程示意图

图2为实现本发明方法的一种装置电路示意图

图3为本发明方法的程序运行图

实施例：

一种超声波测量大型油罐液位的方法，应用于大型贮油罐内液位的监测，贮罐容量5000m³、拱顶式贮罐，在其顶盖上离罐壁1.5m处的进光孔内布置超声波发射—接收器，发射器至罐底的距离为14.42米，罐底直径22.7米，发射—接收器直径为260mm，高度为200mm，工作频率为24.2KC，激励发射器的电压脉冲为250Vp-p，经国家级防爆检测部门检验鉴定合格，已经取得iaIICT6等级的防爆合格证，即本安型级别中的最高防爆等级的合格证。为自动补偿由温度引起的声速变化采用一个用尼龙套管保护的由DS1820构成的多点温度传感器，该传感器布置在油罐内，超声波发射器用50m 5芯电缆与变送器相连接，在变送器内含有控制发射、接收和数据处理单元等，变送器有通讯接口RS485经1Km的通讯电缆与按装在中央控制室内的主机相连，变送器与主机实现双向通讯，主机上设有可编程操作按键，以实现液位的多种模拟和数字显示，如油位高低、贮油体积、重量、油温及实现非正常油位报警并有控制油泵启闭的继电器接口，主机有4-20mA模拟量输出以及与工控机或PC机的通讯接口。变送器已取得国家防爆合格证等级为dIIBT5，即可用于II区的隔爆型防爆等级的合格证，多点温度传感器的防爆合格证等级为iaIIBT6。在进行液位测量时，打开电源仪器进入初始化，接着开始搜索液位目标，在此过程中发射器按程序模式编号依次发射超声波脉冲信号，其相应脉冲宽度为1μs、5μs、10μs、20μs、30μs……，120μs，此时搜索到液位目标，显示液位高度为2.474m，液面到发射器距离为11.946m，温度为24.5℃，此后仪器进入正式测量运行程序，发射器按120μs的脉冲宽度发射超声波信号并连续测量，仪器显示液位高度为2.474、2.475、2.476、2.474……。

实现本方法的装置标定结果：最大测程为28m，盲区0.15m，精度为实测距离的千分之二。

本发明方法采用的程序运行图示于图3，其中P1-P5为搜索目标过程，P6-P12为测量油罐液位过程。在搜索目标过程中，软件程序设有按发射脉冲信号的强弱分成几个能量模式并编号，微机在完成初始化P1之后，依次按编号令发射器向液面发射超声波并计时P2，接收器依次接收液面回波P3，经回波信号检波输出判断P4，当有检波输出时由微机计算液面距离P5，若无检波输出时则返回到P2；依据所测距离及相应的发射信号脉宽开始正式测量P6，发射器向液面发射超声波并计时P7，接收回波信号P8，判断检波输出P9，当有输出时由微机计算距离P10并显示P11，当达到设定的测量周期T时返回至P7，若没有检波输出时则返回到P2。

以上以参照优选实施例，对本发明作了详细的描述，然而本专业技术人员能理解本发明并非局限于上述实施例，人们可以据此做出许多变化，修改，而不脱离本权利要求所限定的精神和范围。

Claims

1、一种超声波测量大型油罐液位的方法，包括产生载波，方形调制脉冲波，由载波和方形调制脉冲波构成的有方形包络的已调波，放大，发射器向目标所发射的脉冲信号波由被测目标反射返回，经放大，检波，比较整形，数据处理，给出相应的动态盲区，或者选通窗口，物位显示，其特征在于：在本质安全防爆条件下，微机令发射器向液面发射的超声波脉冲信号其强度是按从弱到强的方式依次递增，或者按从强到弱依次递减，直到接收器收到液面回波信号为止。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：发射器所发射的超声波脉冲信号其强度变化是由微机自动变更发射器的激励电压脉冲宽度实现的，且该电压脉冲宽度是随液位变化而变化的。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：发射器所发射的超声波脉冲信号其强度变化是由微机自动变更发射器的激励电压脉冲幅度实现的，且该电压脉冲幅度是随液位变化而变化的。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：发射器所发射的超声波脉冲信号其强度变化是由微机自动同时变更发射器的激励电压脉冲的宽度和幅度实现的，且该电压脉冲的宽度和幅度是随液位变化而变化的。