CN2508235Y

CN2508235Y - 容器定点液位的超声波检测仪

Info

Publication number: CN2508235Y
Application number: CN 01252714
Authority: CN
Inventors: 马志敏
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2011-12-05

Abstract

一种容器定点液位的超声波检测仪,用于检测容器(10)预先设定点处的液位(11)高低,其特征是:包括:连接在容器(10)外壁并在发射接收电路(2)的激励下产生耦合到容器(10)壁的超声波的超声波传感器(1)、提供直流稳压电源的升压电路(9)、接收来自容器(10)壁的超声波余振信号的发射接收电路(2)、放大容器(10)壁中超声波余振信号的放大电路(3)、将放大后的余振信号整定成单极性信号的检波电路(4)、根据事先设置的比较电平将包络信号整成方波信号的比较电路(5)、电源电路(7)、报警电路(8)以及作为智能部件并至少能判定液位低于(T≥T_E)或高于(T≤T_F)控制点的单片机系统(6)。

Description

容器定点液位的超声波检测仪

技术领域

本实用新型涉及一种容器定点液位的超声波检测仪，用于检测容器预先设定点处的液位高低。

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，非介入式检测仪器，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仪器，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仪器安装麻烦、可靠性差而影响了该检测仪器的推广应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种容器定点液位的超声波检测仪，它利用气、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，而且，安装起来也极为方便。解决本技术问题的技术方案是：一种容器定点液位的超声波检测仪，用于检测容器10预先设定点处的液位11高低，其特征是：包括：连接在容器10外壁并在发射接收电路2的激励下产生耦合到容器10壁的超声波的超声波传感器1、提供直流稳压电源的升压电路9、接收来自容器10壁的超声波余振信号的发射接收电路2、放大容器10壁中超声波余振信号的放大电路3、将放大后的余振信号整定成单极性信号的检波电路4、根据事先设置的比较电平将包络信号整成方波信号的比较电路5、电源电路7、报警电路8以及作为智能部件并至少能判定液位低于(T≥T_E)或高于(T≤T_F)控制点的单片机系统6。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。工作时，由传感器向容器壁发射一束高频脉冲超声波，同时检测出容器壁中超声波余振信号持续时间T，当T≥T_E时，判定液位低于控制点，当T≤T_F时，判定容器的内部液位达到或高于控制点，其中，T_E和T_F分别为液位低于和达到或高于控制点时余振持续时间的标准值。由于无需在容器上开设仪器安装孔，即采取非接触式检测，从而也更为安全。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例的电路框图。

图2是图1的具体电路图。

图3是图2中升压电路和发射接收电路的放大图。

图4是图2中放大电路和检波电路的放大图。

图5是图2中比较电路和电源电路的放大图。

图6是图2中单片机系统的放大图。

图7是本实用新型的一种应用状态示意图。

具体实施方式

参照图1～图7，本实用新型所述的检测仪包括：连接在容器10外壁并在发射接收电路2的激励下产生耦合到容器10壁的超声波的超声波传感器1、提供直流稳压电源的升压电路9、接收来自容器10壁的超声波余振信号的发射接收电路2、放大容器10壁中超声波余振信号的放大电路3、将放大后的余振信号整定成单极性信号的检波电路4、根据事先设置的比较电平将包络信号整成方波信号的比较电路5、电源电路7、报警电路8以及作为智能部件并至少能判定液位低于(T≥T_E)或高于(T≤T_F)控制点的单片机系统6。其中，传感器1可采用粘结剂或磁吸合的方式与容器10外壁相连接。更进一步的技术方案可以是(参见图2，图中菱形框内凡相同的标记即相互构成电连接，如：凡标有10V的相互均可构成电连接。另凡标有GND的均接地)：升压电路9具有：由三极管Q1、变压器T1、电阻R4、R5、R1、R3、R6、R2、电容C3、C4构成的电感三点式振荡器，起整流滤波作用的二极管D1、电容C2，起稳压和滤波作用的电阻R2、稳压管D4和电容C1；发射接收电路具有可控硅Q2、电阻R7、R8、电容C5、电感L1、二极管D3、D4以及与电感L1相并联的超声波传感器1；放大电路3具有：二级运算放大器、用于调整各级放大器增益的电阻R13和R19以及分别用于两级高频特性补偿的电阻R14、电容C7和电阻R17、电容C9；检波电路4具有二极管D5、电容C10和电阻R20；比较电路5具有：双运放放大器LF353构成的2个比较器以及2个电位器R27、R21，2个二极管D6、D7和7个电阻R26、R22、R24、R23、R28、R29、R25；电源电路7具有：2个稳压管D8、D9，5个电容C11、C14、C12、C13、C15，2个电阻R30、R31和一个三端稳压器7805；单片机系统6具有：1个含存储器E²ROM的单片机(芯片为89C2051或8031系列)、3个三极管Q3、Q4、Q5、1个发光二极管D10、9个电阻R38、R39、R40、R33、R32、R34、R35、R36、R37，4个电容C19、C18、C17、C16和一个晶体振荡器Y1；报警电路由常开或常闭触点继电器K1构成。所述放大电路(3)还可以有电阻(R9、R10、R11、R12、R15、R16、R18)和电容(C6、C8)。其中，报警电路的插座P1的引线端1～6分别与继电器K1的动、定触点相接，引线端7、8分别接24V电源和接地。

所述单片机芯片89C2051与存储器E²ROM以及其它元件电连接关系如下表(表中横排为单片机、存储器对应端口与有关构成电连接关系的元器件编号)：

单片机存储器其它元器件

RST R38、C19

XTAL2 C18、Y1

XATL1 C17、Y1

P3.2 Port2

P3.3 Port3

P3.4 R39、S1

P3.5 R40、S1

VCC C19

P1.7 SDA R32

P1.6 SCL R33、R32

TEST(接地)

VCC(接5V电源)

VSS、A2、A1、A0(均接地)

P1.1 R35

P1.0 R36

P3.7 R37

工作时，升压电路9产生频率为10K-100KHz的高频振荡信号，再经变压器T1升压和二极管D1、电容C2整流滤波，获得近似300V的直流电压并供给发射电路。发射接收电路在非发射阶段时，可控硅Q2关断，此时高压电源通过电阻R7和电感L1、电容C5回路向电容C5充电，直到C5的电压与高电源电压相等为止。在发射阶段，由单片机的P1.0口产生一触发脉冲，并经Q4推动，向可控硅Q2的控制极施加上正脉冲，使可控硅Q2迅速导通，电容C5的高电压瞬间加到传感器1和电感L1上，从而激励传感器1向容器10壁发射超声波，传感器1同时接收来自容器10壁内的来回反射的余振信号，该信号通过R5和D3、D4耦合到放大器中。D4、D3构成高电压钳位保护电路，避免高压脉冲直接作用到放大器的输入端，而对于较小的余振回波信号，则可无衰减通过。与此同时可控硅Q2在C5放电流为零的瞬间自动关断，以恢复对C5的充电。超声波传感器1可采用频率为1～5MHz的普通金属超声波探伤探头。所述放大电路3的R13、R19用于调整各级放大器的增益，放大器采用较强的负反馈，以保证增益的稳定性。R14、C7以及R17与C9分别用于两级的高频特性补偿，以扩展LM318的频宽。所述检波电路4对放大后的回波信号进行检波，从而得到正半周的包络波。时间常数τ(τ＝R8·C19)取值应为发射超声波频率的3～5倍，检波信号的输出送给比较电路5。LF353是双运放放大器，用此构成两个比较器。工作时，一路比较器的参考端1IN_的输入来自电位器R21的分压值，通常该值调整到运放LM318满幅度输出的90％，该路比较器的另一端1IN₊输入来自检波器输出。当包络波幅度高于参考电压时，该比较器输出端1OUT输出高电平，通过D6加到单片机的INTO端；当包络波低于参考电压时，1OUT输出低电平，由于D6反向，INTO由电阻R16下拉为低电平。该路用于检出包络波幅度衰减到饱和输出90％的时间T1；另一路比较器的参考输入2IN_电压来自电位器R27的分压值，通常该值调整到LM318饱和输出的10％，作为比较包络波的下限值。检波器输出同时加到2IN₊端，所以当包络波高于10％电平时，2OUT端输出高电平，通过D7使8031的INT1为高电平，一旦包络波低于10％参考电平时，2OUT端输出负电平，由于D7截止，此时由电阻R29使INT1端下拉到低电平。由此可测量包络波衰减到满幅度的10％时的衰减时间T2。电源电路7的作用是将24V直流变成±10V和+5V电源，供相关电路使用。单片机系统6可以由89C2051单片机(内含AT24C16E²ROM)、拨位开关、驱动电路组成。AT24C16E²ROM用于存放特征参数，具有掉电保存功能，它是I²C总线器件，可使两根信号线与单片机交换数据。拔位开关S1用来控制系统的工作状态，当S1＝00时，系统处于正常检测状态，当S1＝01时，系统为空罐参数自整定状态，此时系统对空罐时的特征参数进行测量，并将整定好的参数存入E²ROM；当S1＝11时，系统为满罐参数整定状态，自动检测满罐的特征参数，并将整定好的参数存入E²ROM，整定完毕即设置S1＝00，系统自动进行测量。三极管Q3、发光二极管D10用于参数整定状态指示，亮时表示正在进行参数整定，暗则表示整定完毕。Q4、R36、C16、R34构成可控硅Q2的触发电路。R37、Q5构成继电器K1的驱动电路。当检测到容器10液位达到设定的高限或设定的低限时，单片机的P3.7输出高电平，通过Q5驱动，使继电器K1闭合，继电器K1输出触点状态变化，即进行报警。报警电路8工作时，报警输出方式是继电器K1触点输出，即开关量输出，具有双刀双掷2功能，可根据需要选用常开或常闭输出，连接到仪表盘的报警指示器，进行报警指示。

Claims

1.一种容器定点液位的超声波检测仪，用于检测容器(10)预先设定点处的液位(11)高低，其特征是：包括：连接在容器(10)外壁并在发射接收电路(2)的激励下产生耦合到容器(10)壁的超声波的超声波传感器(1)、提供直流稳压电源的升压电路(9)、接收来自容器(10)壁的超声波余振信号的发射接收电路(2)、放大容器(10)壁中超声波余振信号的放大电路(3)、将放大后的余振信号整定成单极性信号的检波电路(4)、根据事先设置的比较电平将包络信号整成方波信号的比较电路(5)、电源电路(7)、报警电路(8)以及作为智能部件并至少能判定液位低于(T≥T_E)或高于(T≤T_F)控制点的单片机系统(6)。

2.根据权利要求1所述的检测仪，其特征是：升压电路(9)具有：由三极管(Q1)、变压器(T1)、电阻(R4、R5、R1、R3、R6、R2)、电容(C3、C4)构成的电感三点式振荡器，起整流滤波作用的二极管(D1)、电容(C2)，起稳压和滤波作用的电阻(R2)、稳压管(D2)和电容(C1)；发射接收电路(2)具有可控硅(Q2)、电阻(R7、R8)、电容(C5)、电感(L1)、二极管(D3、D4)以及与电感(L1)相并联的超声波传感器(1)；放大电路(3)具有：二级运算放大器(LM318)、用于调整各级放大器增益的电阻(R13和R19)以及分别用于两级高频特性补偿的电阻(R14)、电容(C7)和电阻(R17)、电容(C9)；检波电路(4)具有二极管(D5)、电容(C10)和电阻(R20)；比较电路(5)具有：双运放放大器(LF353)构成的2个比较器以及2个电位器(R27、R21)，2个二极管(D6、D7)和7个电阻(R26、R22、R24、R23、R28、R29、R25)；电源电路具有：2个稳压管(D8、D9)，5个电容(C11、C14、C12、C13、C15)，2个电阻(R30、R31)和一个三端稳压器(7805)；单片机系统(6)具有：1个含存储器(E²ROM)的单片机、3个三极管(Q3、Q4、Q5)、1个发光二极管(D10)、9个电阻(R38、R39、R40、R33、R32、R34、R35、R36、R37)，4个电容(C19、C18、C17、C16)和一个晶体振荡器(Y1)；报警电路(8)由常开或常闭触点继电器(K1)构成。

3.根据权利要求2所述的检测仪，其特征是：放大电路(3)还具有电阻(R9、R10、R11、R12、R15、R16、R18)和电容(C6、C8)。