CN208998894U - 一种智能型超声波料位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种智能型超声波料位传感器，包括上盖、壳体、探头和电路部分，所述壳体内设有固定支架，所述固定支架用于安装所述电路部分；所述电路部分设置在所述壳体内，所述电路部分包括电源转换模块、超声波换能器单元、超声波驱动电路、仪表放大电路、滤波放大电路、增益调节模块、中央处理单元、温度滤波电路；所述超声波换能器单元包括信号接收发射单元和温度检测单元，所述超声波换能器单元设置在所述探头内部。可靠性高、检测精度准确、不会受温度影响，抗干扰能力强，具有声速学习功能，可以轻松的通过按键学习方式来实现，不需要灌封即可达到IP68防护等级。

Description

一种智能型超声波料位传感器

技术领域

本实用新型涉及仪器仪表行业中一种料位检测仪器，尤其涉及一种智能型超声波料位传感器。

背景技术

超声波料位传感器用于料位监控系统中，当料位高度达到设定的料位阀值时，产生检测信号，用于启动连锁控制系统。传统的超声波料位传感器结构复杂笨重，安装困难，精度易受温度影响而变差，抗干扰能力差，功能单一，不具备对检测信号进行全自动化控制、报警、启动连锁保护系统等功能，而且大多以灌封为主，工艺复杂、维修不方便，耐腐蚀能力差，体积较大，造型不够美观。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型目的在于提供一种智能型超声波料位传感器，可靠性高、检测精度准确、不会受温度影响，抗干扰能力强，耐腐蚀，体积小，安装方便的耐腐蚀全金属超声波料位传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种智能型超声波料位传感器，包括上盖、壳体、探头和电路部分，所述壳体内设有固定支架，所述固定支架用于安装所述电路部分；所述电路部分设置在所述壳体内，所述电路部分包括电源转换模块、超声波换能器单元、超声波驱动电路、仪表放大电路、滤波放大电路、增益调节模块、中央处理单元、温度滤波电路；所述超声波换能器单元包括信号接收发射单元和温度检测单元，所述超声波换能器单元设置在所述探头内部。

优选地，所述温度检测单元的输出端连接温度滤波电路，所述温度滤波电路的输出信号输入给中央处理单元进行处理；超声波驱动电路，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与超声波换能器单元连接进行超声波发送；所述超声波换能器单元的输出信号输入仪表放大电路进行首级信号放大；所述仪表放大电路输出端与滤波放大电路连接，进行次级放大；所述滤波放大电路的输出信号输入所述中央处理单元进行分析处理；增益调节模块，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与仪表放大电路连接进行首级放大增益调节；作为数据处理器的中央处理单元，所述中央处理单元设有温度补偿单元和时间距离计算单元。

优选地，所述电路部分还包括输出单元和输出保护单元，输出单元输入端与所述中央处理电路连接，通过NPN三极管或PNP三极管进行监控距离信号的开关量输出，通过电流4～20mA或电压0～10V进行监控距离信号的模拟量输出；输出保护单元输入端与输出单元连接。实现短路保护、反极性保护、过载保护等。

优选地，所述电路部分还包括显示驱动单元、显示单元，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与显示单元连接进行显示信号输出；所述超声波换能器单元分别采集被测量环境的温度信号、距离信号传输到所述中央处理单元，经处理后数据分别通过输出单元输出和所述显示单元显示数值信号。

优选地，所述电路部分还包括按键控制单元，所述按键控制单元与显示单元通过中央处理单元构成菜单系统进行用户交互，通过所述菜单系统可以对开关量输出的输出方式和开关点，模拟量输出的输出方式和高低点以及超声波声速的学习和恢复出厂设置进行调节或校正；同时，还可以通过按键控制单元设置显示当前的距离、温度或者当前的电流、电压。

优选地，所述按键控制单元由按键组成，按键用于菜单设置和功能选择；显示单元由3个七段数码管和6颗LED灯组成，3个七段数码管进行温度显示、目标物距离值显示以及当前的电流值或电压值显示，6颗LED灯作为状态灯进显示，显示单元设置在显示罩内。

优选地，所述电源转换模块设有抗干扰、防静电、防雷击的隔离组件，所述隔离组件包括磁珠和扼流圈，所述扼流圈设置在电源的输入端，抑制电路中的共模干扰信号；同时，在所述扼流圈的后面并联一个所述磁珠，用来消除电路中的高频干扰信号；同时，电源单元与壳体连接并连接大地，以释放电路内部多余电荷和干扰。

优选地，所述上盖设有显示罩、按键、接插件，显示罩包括距离显示单元，显示罩从上盖内部通过压合片固定，用来显示当前的目标物距离、温度以及当前的电流值或电压值显示和状态显示；按键从壳体的表面装入，用来学习校准目标物距离高低点、开关点选择等菜单设置和功能选择；接插件上设有密封圈，从上盖侧面的圆孔伸入壳体，接插件用来连接外接线缆，给电路部分供电；塑胶件用来固定电路部分，起到抗震、绝缘、抗干扰的作用。

优选地，所述探头包括压圈、密封圈、换能器垫片和超声波换能器单元，换能器垫片包裹超声波换能器单元，换能器垫片可以减小探头对超声波换能器单元的挤压，密封圈在压圈、超声波换能器单元及探头之间过盈配合时起到密封的作用；压圈顶部设有一个圆孔，所述圆孔中安装有用于增强产品抗干扰能力接地线。

优选地，所述探头在圆柱体的中心设有一个盲孔，盲孔的顶部、中部和底部各设有一个台阶，顶部的台阶放置有所述固定支架，中部的台阶放置有所述压圈，底部的台阶放置有所述超声波换能器单元，所述压圈用来固定超声波换能器单元。

优选地，所述固定支架设置于所述壳体中，所述固定支架为2个对称的塑胶件，所述塑胶件呈半椭圆状，在半椭圆的内壁上设有卡口，用来固定所述电路板，起到防振、屏蔽、抗干扰的作用。

优选地，所述壳体和所述探头均采用耐酸碱材料制成；所述超声换能器单元采用聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、钛合金或不锈钢316L材质制成。具有较强的耐腐蚀性。

优选地，所述壳体与所述探头组装后的总体高度不高于82.5mm。

如上所述，本实用新型提供的一种智能型超声波料位传感器，具有以下有益效果：可靠性高、检测精度准确、不会受温度影响，抗干扰能力强，具有声速学习功能，可以轻松的通过按键学习方式来实现，不需要灌封即可达到IP68防护等级；结构、工艺简单，成本低，维修方便，耐腐蚀，体积小，造型美观，安装方便的耐腐蚀全金属超声波料位传感器。

附图说明

图1为一种智能型超声波料位传感器的工作原理图。

图2为一种智能型超声波料位传感器的剖视图。

图3为一种智能型超声波料位传感器的外部结构示意图。

图4为一种智能型超声波料位传感器的爆炸图。

1.壳体，11.上盖，111.压合片，112.显示罩，113.按键，114.接插件，115.固定支架，2.电路部分，21.电路板，22.超声波换能器单元，3.探头部分，31.探头，311.密封圈，312.密封垫片，313.压圈，314.密封圈，315.换能器垫片。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1至图4所示，本实用新型提供一种智能型超声波料位传感器，包括上盖、壳体、探头和电路部分，所述壳体内设有固定支架，所述固定支架用于安装所述电路部分；所述电路部分设置在所述壳体内，所述电路部分包括电源转换模块、超声波换能器单元、超声波驱动电路、仪表放大电路、滤波放大电路、增益调节模块、中央处理单元、温度滤波电路；所述超声波换能器单元包括信号接收发射单元和温度检测单元，所述超声波换能器单元设置在所述探头内部。

所述温度检测单元的输出端连接温度滤波电路，所述温度滤波电路的输出信号输入给中央处理单元进行处理；超声波驱动电路，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与超声波换能器单元连接进行超声波发送；所述超声波换能器单元的输出信号输入仪表放大电路进行首级信号放大；所述仪表放大电路输出端与滤波放大电路连接，进行次级放大；所述滤波放大电路的输出信号输入所述中央处理单元进行分析处理；增益调节模块，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与仪表放大电路连接进行首级放大增益调节；作为数据处理器的中央处理单元，所述中央处理单元设有温度补偿单元和时间距离计算单元。

所述壳体1和所述探头31均采用耐酸碱材料制成；所述壳体1内设有固定支架115，所述固定支架115由2个半椭圆状的塑胶件组成，可以使用塑胶件，也可以是其他绝缘材质，如橡胶制品、其它高分子聚合物等，在半椭圆状的塑胶件的内壁上设有卡口，用来固定所述电路部分2，起到防振、屏蔽、抗干扰的作用；所述电路部分2包括电路板21和超声波换能器单元22，电源转换模块、超声波驱动电路、仪表放大电路、滤波放大电路、增益调节模块、中央处理单元、按键控制单元、温度滤波电路、显示驱动单元、显示单元、输出单元、输出保护单元均设置在电路板21上；所述超声波换能器单元包括信号接收发射单元和温度检测单元，中央处理单元可选用单片机、或其它集成电路及外围元件组成的数据处理电路。

所述超声换能器单元采用耐腐蚀的塑料材料制成；所述超声波换能器单元22设置在所述探头3内部，所述壳体1与探头3通过过盈配合固定，所述电路部分2设置在所述壳体1内部。

按键控制单元由按键113组成，按键113用于菜单设置和功能选择；显示单元由3个七段数码管和6颗LED灯组成，3个七段数码管进行温度显示、目标物距离值显示以及当前的电流值或电压值显示，6颗LED灯作为状态灯进显示，显示单元设置在显示罩112内。

所述电路部分还包括输出单元和输出保护单元，输出单元输入端与所述中央处理电路连接，通过NPN三极管或PNP三极管进行监控距离信号的开关量输出，通过电流4～20mA或电压0～10V进行监控距离信号的模拟量输出；输出保护单元输入端与输出单元连接，实现短路保护、反极性保护、过载保护等。

所述电路部分还包括显示驱动单元、显示单元，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与显示单元连接进行显示信号输出；所述超声波换能器单元分别采集被测量环境的温度信号、距离信号传输到所述中央处理单元，经处理后数据分别通过输出单元输出和所述显示单元显示数值信号。

所述电路部分还包括按键控制单元，所述按键控制单元与显示单元通过中央处理单元构成菜单系统进行用户交互，通过所述菜单系统可以对开关量输出的输出方式和开关点，模拟量输出的输出方式和高低点以及超声波声速的学习和恢复出厂设置进行调节或校正；同时，还可以通过按键控制单元设置显示当前的距离、温度或者当前的电流、电压。

电路部分的工作原理如下：

温度检测单元用来检测被测介质的温度信号，通过滤波电路处理后将检测的温度信号传输给中央处理单元；中央处理单元输出信号，输入超声波驱动电路，同时中央处理单元内部开始计时，超声波驱动电路与超声波换能器连接，进行超声波发送；超声波换能器检测到达目标物后返回的超声波信号，转换为电信号输出到仪表放大电路进行首级放大；仪表放大电路与滤波放大电路连接，进行次级滤波放大后将检测的信号传输给单中央处理单元；同时，中央处理单元计时停止并开始进行时间距离计算和内部温度漂移补偿；增益调节模块，输出端连接仪表放大电路，其输入端连接中央处理单元，在精确的时间内进行首级放大增益的调节，以实现自动增益效果；同时，中央处理单元通过串行通信输出给驱动显示单元，驱动显示单元输出信号给显示单元，通过数码管和LED灯对温度信号和目标物距离信号进行显示；按键控制单元可以进行超声波声速的校准，还可以用于对输出方式的选择，输出的高低点，开关点等菜单设置和功能选择；电源转换模块主要用来给各个单元提供所需要的电压；抗干扰模块用来防止电磁静电等干扰，提高产品的稳定性和可靠性。所述抗干扰模块主要是由一两个抗干扰元件组成，再在电路布局时采用一些增强抗干扰的技巧。抗干扰模块除去前面提到的金属外壳、塑胶件、接大地线外，在电路上主要是由磁珠和共模扼流圈来实现，再加上PCB布局上的运用了一些增强抗干扰的布局技巧，具体来说，在电源转换模块的输入端设有共模扼流圈，用来抑制电路中的共模干扰信号；同时，在扼流圈的后面并联一个磁珠，用来消除电路中的高频干扰信号；同时，电源转换模块与壳体连接并连接大地，以释放电路内部多余电荷和干扰，从而增强产品的抗干扰性能。

中央处理单元对输出单元产生监控信号，当所述监控信号的输出类型为开关量输出时，通过NPN三极管或PNP三极管进行监控距离信号的开关量输出；当所述监控信号的输出类型为模拟量输出时，通过电流4～20mA或电压0～10V进行监控距离信号的模拟量输出；按输出方式分为：两线制和三线制输出。

输出单元，其输入端与中央处理单元连接，其输出端与输出保护单元的另一个输入端连接，输出保护单元可以通过纯硬件实现短路保护、反极性保护、过载保护等多种保护功能。

在实际应用中，所述壳体1采用上盖11和探头31结合的结构，方便制作和安装，所述壳体与所述探头组装后的总体高度不高于82.5mm，所述探头31上端与上盖11连接，超声波换能器单元安装在探头31的下端，探头31在安装时起到固定、锁紧的作用。

如图3所示，上盖11设有显示罩112、按键113、接插件114，显示罩112内设有距离显示单元，显示罩112从上盖内部通过压合片111固定在上盖内表面，用来显示当前的目标物距离、温度以及当前的电流值或电压值显示和状态显示；按键113从上盖的表面装入，用来学习校准目标物距离高低点、开关点选择等菜单设置和功能选择；接插件114上设有密封圈，从上盖11侧面的圆孔伸入壳体，接插件114用来连接外接线缆，给电路部分供电；塑胶件115用来固定电路部分2，起到抗震、绝缘、抗干扰的作用。

探头31设有2个卡槽，上部卡槽上设有密封圈311，下部卡槽上设有密封垫312，密封圈311和密封垫312起到防水防尘的效果。双槽设计大大提高了密封性能，起到防水、防潮和防尘的作用，也容易提高防爆等级。所述探头在圆柱体的中心设有一个盲孔，盲孔的顶部、中部和底部各设有一个台阶，顶部的台阶放置有所述固定支架，中部的台阶放置有所述压圈，底部的台阶放置有所述超声波换能器单元，所述压圈用来固定超声波换能器单元。

探头31包括压圈313、密封圈314、换能器垫片315和超声波换能器单元316，换能器垫片315包裹超声波换能器单元316，换能器垫片315可以减小探头31对超声波换能器单元的挤压，密封圈314在压圈313、超声波换能器单元316及探头31之间过盈配合时起到密封的作用；压圈313顶部设有一个圆孔，所述圆孔中安装有用于增强产品抗干扰能力接地线，所述圆孔孔径≤1.5mm。

上盖11和探头31均采用耐腐蚀材料制成，上盖11和探头31之间通过过盈配合来固定，通过探头31上的密封圈311和密封垫312来密封。

如表1所示，为本实用新型显示菜单。其中第一列为设置菜单，第二列为菜单功能注释，第三列为参数设置范围，第四列为设置方式，第五列为备注说明菜单对象。

其设置方法，参看表1，显示面板下部有两个按键，左边MODE/ENTER键为菜单设置和确认功能，每按一次菜单顺序显示在数码管上，右边LEARN/SET键为参数设定，用配合MODE/ENTER键，对相应菜单进行参数设置(同样在数码管上显示)，参数确认再次按MODE/ENTER键。

表1：

上表中：“SP1”与“rP1”开关点：设定好SP1与rP1后，当SP1小与rP1时，当距离缩短小于SP1时，输出端打开，当距离增长大于rP1时，输出端关闭；当SP1大与rP1时，当距离缩短小于rP1时，输出端关闭，当距离增长大于SP1时，输出端打开；当距离在SP1与rP1中间时，输出端保持当前状态。

“ASP”与“AEP”开关点：设定好ASP与AEP后，当距离从ASP到AEP变化时，模拟量输出从20mA到4mA或10V到0V变化。

“n-P”输出1模式：在菜单“n-P”模式下，可以设定输出1模式是“PnP”还是“nPn”。

“U-i”输出2模式：在菜单“U-i”模式下，可以设定输出2模式，设置为“v”则为电压输出，设置为“i”则为电流输出。

“DiS”数码管显示类型：在菜单“DiS”模式下，可以设定数码管显示类型，设置为“d”则显示当前检测距离值，设置为“S”则显示当前所设置的输出2模拟量输出值，设置为“t”则显示当前检测温度值。

“Mor”高级设置进入密码：该项菜单需在按下MODE/ENTER键时上电才会出现在菜单中，当密码输入正确，菜单会自动加入高级设置的各类菜单；当密码输入错误，菜单锁定，再次解锁时该项菜单消失，需重新上电进入。

“StU”声速学习设定：在“StU”模式下，可以长按LEARN/SET键进行当前环境下声速学习。

“FAC”声速学习设定：在“FAC”模式下，可以长按LEARN/SET键将声速返回到出厂时的设定值。

“iH”电流高点设定：在“iH”模式下，将检测距离调到电流输出在最大值时，然后调节参数使当前参数无限接近20mA以减小输出误差。

“iL”电流高点设定：在“iL”模式下，将检测距离调到电流输出在最小值时，然后调节参数使当前参数无限接近4mA以减小输出误差。

“vH”电流高点设定：在“vH”模式下，将检测距离调到电压输出在最大值时，然后调节参数使当前参数无限接近10V以减小输出误差。

综上所述，本实用新型提供一种智能型超声波料位传感器，可靠性高、检测精度准确、不会受温度影响，抗干扰能力强，具有声速学习功能，可以通过按键学习来实现；采用过盈配合不灌胶密封结构，防护等级可达IP68防护；壳体采用耐酸碱材料制成，防腐耐用；结构简单，安装、维修方便，体积小，造型美观。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：包括上盖、壳体、探头和电路部分，所述壳体内设有固定支架，所述固定支架用于安装所述电路部分；所述电路部分设置在所述壳体内，所述电路部分包括电源转换模块、超声波换能器单元、超声波驱动电路、仪表放大电路、滤波放大电路、增益调节模块、中央处理单元、温度滤波电路；所述超声波换能器单元包括信号接收发射单元和温度检测单元，所述超声波换能器单元设置在所述探头内部。

2.根据权利要求1所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述温度检测单元的输出端连接温度滤波电路，所述温度滤波电路的输出信号输入给中央处理单元进行处理；超声波驱动电路，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与超声波换能器单元连接进行超声波发送；所述超声波换能器单元的输出信号输入仪表放大电路进行首级信号放大；所述仪表放大电路输出端与滤波放大电路连接，进行次级放大；所述滤波放大电路的输出信号输入所述中央处理单元进行分析处理；增益调节模块，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与仪表放大电路连接进行首级放大增益调节；作为数据处理器的中央处理单元，所述中央处理单元设有温度补偿单元和时间距离计算单元。

3.根据权利要求2所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述电路部分还包括显示驱动单元、显示单元，其输入端与所述中央处理单元连接，其输出端与显示单元连接进行显示信号输出；所述超声波换能器单元分别采集被测量环境的温度信号、距离信号传输到所述中央处理单元，经处理后数据分别通过输出单元输出和所述显示单元显示数值信号。

4.根据权利要求1所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述电路部分还包括按键控制单元，所述按键控制单元与显示单元通过中央处理单元构成菜单系统进行用户交互，通过所述菜单系统可以对开关量输出的输出方式和开关点，模拟量输出的输出方式和高低点以及超声波声速的学习和恢复出厂设置进行调节或校正；同时，还可以通过按键控制单元设置显示当前的距离、温度或者当前的电流、电压。

5.根据权利要求4所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述按键控制单元由按键组成，按键用于菜单设置和功能选择；显示单元由3个七段数码管和6颗LED灯组成，3个七段数码管进行温度显示、目标物距离值显示以及当前的电流值或电压值显示，6颗LED灯作为状态灯进显示，显示单元设置在显示罩内。

6.根据权利要求1所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述电源转换模块设有用于抗干扰、防静电、防雷击的隔离组件，所述隔离组件包括磁珠和扼流圈，所述扼流圈设置在电源的输入端，抑制电路中的共模干扰信号；在所述扼流圈的后面并联一个所述磁珠，用来消除电路中的高频干扰信号电源单元与壳体连接并连接大地，以释放电路内部多余电荷和干扰。

7.根据权利要求1所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述上盖设有显示罩、按键、接插件，显示罩内设有距离显示单元，显示罩从上盖内部通过压合片固定在上盖内表面，用来显示当前的目标物距离、温度以及当前的电流值或电压值显示和状态显示；按键从上盖的表面装入，用来学习校准目标物距离高低点、开关点选择等菜单设置和功能选择；接插件上设有密封圈，从上盖侧面的圆孔伸入壳体，接插件用来连接外接线缆，给电路部分供电；塑胶件用来固定电路部分，起到抗震、绝缘、抗干扰的作用。

8.根据权利要求1所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述探头包括压圈、密封圈、超声波换能器单元以及换能器垫片，所述压圈下部设有密封圈，所述密封圈下部设有换能器垫片包裹的超声波换能器单元，与探头通过过盈配合实现固定，换能器垫片可以减小探头对超声波换能器单元的挤压，密封圈在压圈、超声波换能器单元及探头之间过盈配合时起到密封的作用；压圈顶部设有一个圆孔，所述圆孔中安装有用于增强产品抗干扰能力接地线。

9.根据权利要求8所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述探头在圆柱体的中心设有一个盲孔，盲孔的顶部、中部和底部各设有一个台阶，顶部的台阶放置有所述固定支架，中部的台阶放置有所述压圈，底部的台阶放置有所述超声波换能器单元，所述压圈用来固定超声波换能器单元。

10.根据权利要求1所述的一种智能型超声波料位传感器，其特征在于：所述壳体与所述探头组装后的总体高度不高于82.5mm。