CN1415943A - 超声波浮子液界位仪 - Google Patents

Abstract

一种超声波浮子液界位仪，包括随液面上下浮动的浮子、发射和接收超声波脉冲探测信号的探头和测量电路，其特征是：有一根至少部分置于被测液体内的密闭导管，该导管内充有液体并设有内浮子，内浮子具有磁体，在导管外套装有一个外浮子，外浮子具有与内浮子的磁体相偶合的另一个磁体，二磁体以同极性方向相偶合，探头设在导管的顶端并朝向内浮子。

Description

超声波浮子液界位仪

技术领域

本发明涉及一种超声波浮子液界位仪，用于检测液态介质的液位和多层液态介质的分界位。

背景技术

利用液介式超声波原理检测液态介质的液位和两层液态介质的分界位，具有测量精度高、耐腐蚀性好、无机械传动与磨损，使用寿命长等优点，但也存在着对被测介质特性要求较高的弱点。如介质中含有气泡或颗粒性杂质时，会造成干扰反射，影响测量结果的可靠性；介质的粘度较大时也会使声波的传输衰减增大，因此影响测量范围；介质成份变化会显著影响超声波传播的速度，从而影响测量的精度。这些情况均影响了超声波液界位测量的可靠性和对介质的适应性，增加了仪器设计、安装、调试的难度，也制约了液介式超声波在液、界位测量方面的应用。另外，常见的浮子液位计对液体特性要求不高(除腐蚀性外)，适应性强，但由于存在机械传动部件，易腐蚀、磨损和卡滞、耐用性差、安装维护工作量大，也影响了它的应用效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超声波浮子液界位仪，它继承上述现有技术的优点并结合磁偶合技术克服其不足。解决本技术问题的技术方案是：一种超声波浮子液界位仪，包括随液面上下浮动的浮子、发射和接收超声波脉冲探测信号的探头和测量电路，其特征是：有一根至少部分置于被测液体内的密闭导管，该导管内充有液体并设有内浮子，内浮子具有磁体，在导管外套装有一个外浮子，外浮子具有与内浮子的磁体相偶合的另一个磁体，二磁体以同极性方向相偶合，探头设在导管的顶端并朝向内浮子。

而且，导管内的液体是清洁水或油，导管由不锈钢或塑料制成，内浮子的等效密度略大于导管内液体的等效密度，外浮子的等效密度小于被测液体的密度。或者，外浮子的等效密度大于上层介质的密度，而小于下层的密度。

而且，探头内装有校正声速的温度传感器。

或者，探头的前部装有一校正声速的定长校正挡杆。

在本发明的构成中，外浮子受液面或界面的浮力作用，随液面或界面下运动，由于二磁体以同极性方向相偶合，内浮子N极与外浮子N极相对应(反之则S极相对应)，外浮子磁场对内浮子产生的托力和内浮子自身重力共同作用，使内浮子与外浮子保持一致的运动，因此内浮子的位置与容器液位(或界位)相对应，再利用超声脉冲回波原理检测出内浮子的位置，便可得到液面(或界面)的位置。与一般浮子液位计不同的是，一般浮子液位计中，浮子有传动带相连，要驱动旋转编码机构。这一环节极易造成磨损、腐蚀、卡滞，而本发明中浮子工作在自由浮动状态，除磁力耦合外，不需要驱动其它机械机构，导管对浮子的约束作用极小，浮子与导管壁之间留有一定间隙，基本无磨擦，大大提高了系统的可靠性。另外，内外浮子的磁力耦合采用了同极性相排斥的方式联动。可使内外浮子自动处于中心平衡位置，并与导管的周壁之间始终保持所留间隙，有效消除了内外浮子与导管周壁的接触和磨擦。与此同时，浮子由超声波进行定位，超声波只局限在导管内固定的清洁液体中传播，不受被测介质特性的影响，所以测量精度高、可靠性好、使用寿命长、安装方便。本发明测量精度可达1‰，分辩率1mm，安装十分方便、适应性广，可广泛用于石油化工、电力、机械、水利及其它工业领域。

附图说明

图1是本发明整体构成的示意图。

图2是测量电路原理框图。

图3是设有校正挡杆的局部示意图。

具体实施方式

参见图1～图3，本发明所述的超声波浮子液界位仪，包括随液面上下浮动的浮子、发射和接收超声波脉冲探测信号的探头3和测量电路1，其特征是：有一根至少部分置于被测液体10内的密闭导管4，该导管4内充有液体5并设有内浮子6，内浮子6具有磁体8，在导管4外套装有一个外浮子7，外浮子7具有与内浮子6的磁体8相偶合的另一个磁体9，二磁体8、9以同极性方向相偶合，探头3设在套管4的顶端并朝向内浮子6。

所述磁体8、9最好分设在内外浮子6、7的下端，当然，也可以设在浮子的其它部位，例如中或上部。

更进一步的技术方案可以是：导管4内的液体5是清洁水或油(最好是低粘性油)，以保证良好的导声性。所述导管4最好由非导磁性材料制成，如不锈钢或塑料(当温度不高于60℃时)。内浮子6的等效密度略大于导管4内液体5的等效密度，外浮子7的等效密度小于被测液体10的密度。当测量两层液态介质的分界位时，外浮子7的等效密度大于上层介质的密度，而小于下层的密度。所述导管4的两端为全密封，防止管内液体5漏出或挥发。导管4的作用是：①引导超声波在管内上部分(内浮子以上)液体5中传播，②约束内浮子6和外浮子7，使它们只能沿导管4的纵向自由移动，导管4内外壁加工光滑，管长可根据测量范围确定，一般约1～8m。

而且，探头3内可装有校正声速的温度传感器14。

或者，探头3的前部可装有一校正声速的定长校正挡杆19。

所述探头3可采用液介式超声波探头，频率在1～5MHz为宜，探头3的结构可制成密封式。

工作时，在没有受外浮子7磁力顶托力时，由于内浮子6的等效密度略大于导管4内液体5的等效密度，内浮子6是下沉的。该浮子内部底端所装磁铁若N极朝下(也可以二个相同的S极相偶合)，当受到外浮子7磁力的顶托时，随外浮子7一起上下运动，即随被测液面或界面上下运动。内浮子6的顶部做成平面，用以反射导管4顶部的探头3发射的超声波信号。外浮子7中心孔径略大于导管4的外径，外浮子6套在导管4外部，可沿导管4纵向自由移动。外浮子7的等效密度小于被测液体10的密度，以保证外浮子7能浮在液面上。测量二种液体分界面时，外浮子7的等效密度大于上层介质的密度，而小于下层的密度，以保证外浮子7能浮在两种液体的分界面处，从而跟踪液面或界面的位置。外浮子7的底部装有磁铁9，其N极指向内侧，S极指向外侧(反之亦然)，从而对内浮子6形成向上的顶托力，带动内浮子6随液面或界面一起变化。安装在导管4顶部的超声波探头3可做全密封防爆结构。工作时探头3向下发射一束脉冲超声波，沿导管4内的液体5向下传播，遇到内浮子6的上端面后被其反射回来，再由探头3接收，检测电路1测出超声波来回传输的时间，推算出探头3与液面(或界面)的距离，再根据探头3安装的高度，换算出液面(或界面)的位置。

测量电路1各部分的功能是：发射电路11：产生高压脉冲，激励探头3产生高频脉冲超声波。

接收放大电路12：接收返回的超声波脉冲信号，并放大到足够的幅度，供后继电路进行处理。

整形电路13：将接收到的回波信号整成与传输时间相对应的方波信号，以控制单片机6的计数器，实现回波声时的测量。

温度传感器14：用于测量导管4内液体5的温度，以校正其声速值。在利用脉冲回波法测量液位或界位时，测温校正的基本关系式是：L＝1/2ct(1)，其中L为超声波探头3至内浮子6的上端面的距离；c为声波的速度；t为超声波来回传输的时间。具体方法可以是：事先测定好导管4内液体5的声速c与温度T的关系曲线，并存入单片机6。测量时，利用一个置于超声探头3内的温度传感器14检测导管4的液体5温度，计算出对应的声速c，再将实测的声速代入上式即可计算出L，从而消除温度变化对测量结果的影响。若利用校正挡杆19校正声速的变化，其方法(参见图3)可以是在超声探头3的前部安装一个定长的校正档杆19，使探头3发射的声波的一部分挡射回来，其余大部分则继续向前传播，直到内浮子6上表面再反射回来。如果设档杆长度为L_o，对应回波的时间为t_o，则有：L_o＝1/2ct_o(2)，将(1)式除以(2)式得：L/L_o＝t/t_o即L＝L_ot/t_o(3)，该(3)式中已不含声速c，从而消除了声速变化的影响。

A/D转换器15：将测量得到的温度信号的模拟量转换成数字量，再传给单片机6，供校正计算。

单片机16：负责控制、协调系统工作，包括定时发射、声时测量、液位计算、校正数据采集与计算、将结果转换成4-20mA标准信号输出和将结果送显示等。

4～20mA变换电路17：将测量结果的数字量转换成4～20mA通用工业标准信号电流信号。其中使用12位D/A转换器，以保证足够的转换精度。

显示器18：采用LED或LCD显示器，显示测量结果(液位和界位)。

由于上述电路属现有技术，故不赘述，具体可参见有关专业书籍和本申请人提交的01252714.9号专利申请。

Claims (5)

1.一种超声波浮子液界位仪，包括随液面上下浮动的浮子、发射和接收超声波脉冲探测信号的探头和测量电路，其特征是：有一根至少部分置于被测液体内的密闭导管，该导管内充有液体并设有内浮子，内浮子具有磁体，在导管外套装有一个外浮子，外浮子具有与内浮子的磁体相偶合的另一个磁体，二磁体以同极性方向相偶合，探头设在导管的顶端并朝向内浮子。

2.根据权利要求1所述的液界位仪，其特征是：导管内的液体是清洁水或油，导管由不锈钢或塑料制成，内浮子的等效密度略大于导管内液体的等效密度，外浮子的等效密度小于被测液体的密度。

3.根据权利要求1所述的液界位仪，其特征是：导管内的液体是清洁水或油，导管由不锈钢或塑料制成，内浮子的等效密度略大于导管内液体的等效密度，外浮子的等效密度大于上层介质的密度，而小于下层的密度。

4.根据权利要求2或3所述的液界位仪，其特征是：探头内装有校正声速的温度传感器。

5.根据权利要求2或3所述的液界位仪，其特征是：探头的前部装有一校正声速的定长校正挡杆。