一種自校準的外貼超聲波液位開關測量系統及其測量方法與流程

本發明涉及罐體液位測量、報警領域，具體是一種自校準的外貼超聲波液位開關測量系統。

背景技術：

目前，在容器外邊安裝的液位開關，有外貼式液位開關、外測式液位開關等。其工作原理是，在容器側壁外側需要檢測液位的監測點處安裝測量頭，測量頭向容器壁內發射超聲波，超聲波進入容器壁內部后會在容器壁的內、外表面之間來回反射多次而形成余振信號。超聲波從容器內壁進入液體的聲壓透射系數：

式中，z1為容器壁材料的特性阻抗，z1＝ρ1c1，其中ρ1為容器壁材料的密度，c1為容器壁材料的聲速；z2為容器內介質的特性阻抗，z2＝ρ2c2，其中ρ2為容器內介質的密度，c2為容器內介質的聲速。

以容器壁的常用材料鋼板為例，假設溫度為20℃，容器內的液體為水，則根據鋼的特性阻抗z＝4.80×10⁷kg/(m²s)，水的特性阻抗z＝1.48×10⁶kg/(m²s)，空氣的特性阻抗z＝415kg/(m²s)，可以計算得到，當液位低于換能器安裝位置(即管壁內的介質為空氣)時，d≈0.00％，而當液位超過高于換能器安裝位置(即管壁內的介質為水)時，d＝5.98％。有液和無液的聲壓透射系數相差約為6％，因此，當容器內液面低于監測點時，由于透射系數d＝0，超聲波在容器壁的內、外表面之間來回反射的次數會比較多，能量損失會比較慢，余振信號波的個數會比較多。而當容器內液面高于監測點時，由于存在聲波在液體介質中的聲透射，超聲波在容器壁的內、外表面之間來回反射的次數會比較少，能量損失會比較快，余振信號波的個數會比較少。可以通過容器壁中余振信號的強弱來判斷液位。

現有技術中，在容器外安裝液位開關的測量方法是檢測超聲波在容器壁內部的余振信號，對發射超聲波信號一段時間后余振信號的幅值(簡稱信號值v信)與設定的幅值(簡稱設定值v設)進行比較，當信號值v信大于設定值v設時判定為液位低于監測點，而當信號值v信小于設定值v設時判定為液位高于監測點。由于罐體內壁表面變稠的粘附層、液體溫度、罐體外環境溫度等會發生變化，使得安裝后信號值v信變化大，不穩定性，誤動率高，工作穩定性和可靠性差。而且，由于信號的幅值與每一個罐體的罐壁材質、壁厚、液體成分和溫度等有關，不同罐體上的v信差別很大，需要對每個罐體進行現場標定，人工調整設定值v設，安裝調試工作量很大，效率低，使用壽命約為2-6個月，致使實際上不能長期使用。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種通過校準探頭信號幅值與高低位測量探頭信號幅值的比值變化來判斷是否有液的自校準的外貼超聲波液位開關測量系統，解決了目前外部安裝測量的液位開關誤動率高，工作穩定性、可靠性差和在現場使用中需要人工定期標定調校，安裝調試工作量很大、效率低的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種自校準的外貼超聲波液位開關測量系統，包括外貼超聲波液位開關主機、校準探頭、高位測量探頭和低位測量探頭，所述校準探頭安裝在罐體液位不能到達的空液位置或液位不會放空的有液位置的外部，高位測量探頭安裝在罐體外部上部的高位報警點，低位測量探頭安裝在罐體外部下部的低位報警點；校準探頭、高位測量探頭和低位測量探頭均與外貼超聲波液位開關主機相連接。

作為本發明進一步的方案：所述校準探頭、高位測量探頭和低位測量探頭均為超聲波探頭。

作為本發明進一步的方案：所述校準探頭或高位測量探頭或低位測量探頭表面的耦合劑流失到一段程度時，探頭的信號減弱到一定程度時，外貼超聲波液位開關主機會發出一個故障信號給控制系統。

一種基于權利要求1所述的自校準外貼超聲波液位開關測量系統的測量方法，包括以下步驟：

步驟一、吸附在罐體外壁的校準探頭、高位測量探頭和低位測量探頭分別發射并采集罐壁內反射回來的信號；

步驟二、外貼超聲波液位開關主機接收校準探頭、高位測量探頭和低位測量探頭的信號，校準探頭的信號為：v校準，高位測量探頭的信號為：v高，低位測量探頭的信號為：v低；

步驟三、根據v校準、v高和v低得出高位信號比值和低位信號比值，高位信號比值＝v高/v校準，低位信號比值＝v低/v校準；

步驟四、判斷有液無液：如果高位信號比值或者低位信號比值高于設定比值，就被判斷為無液。如果高位信號比值或者低位信號比值低于設定比值，就被判斷為有液。

作為本發明進一步的方案：步驟三中校準探頭的信號、高位測量探頭的信號和低位測量探頭的信號傳輸到外貼超聲波液位開關主機1處理后分別在液晶屏上顯示，計算高位信號比值和低位信號比值后在儀表主體液晶屏上顯示；根據液晶屏上顯示的信號，設定比值。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1.本發明通過校準探頭信號與高低位測量探頭信號的幅度比值變化來判斷是否有液，可以有效的消除材質、厚度、溫度、耦合層流失對信號及液位測量的影響。實現更穩定可靠的測量；不再需要頻繁標定設定值，安裝調試工作量小，效率高，不需要進行頻繁的調試。

2.另外本發明中探頭的信號幅度大小對于測量罐內是否有液的影響較小，提高了系統的使用壽命和穩定性。

3.對于現有技術，采用的是探頭接收信號幅值v信與設定幅值v設相比較的方法，當信號值v信大于設定值v設時判定為液位低于監測點，而當信號值v信小于設定值v設時判定為液位高于監測點。從如圖1可以看出，雖然在相同溫度下，有液和無液時的信號有明顯的區別，可以通過設定合適的設定值v設實現該溫度下的有效測量，但是如果溫度發生變化，有液和無液時的信號值v信也會發生變化，在不改變設定值v設的情況下就容易導致液位判斷的錯誤；同樣的，如果介質發生變化，也會引起有液和無液時信號值v信的變化，在不改變設定值v設的情況下容易導致液位判斷的錯誤。因此，現有技術存在測量范圍窄，需要經常根據實際工況進行調試等缺點。而本發明采用的是高位信號比值v高/v校準和低位信號比值v低/v校準與設定比值相比較的方法，當高位信號比值或者低位信號比值高于設定比值時判定為液位低于監測點，而當高位信號比值或者低位信號比值低于設定比值時判定為液位高于監測點。由于安裝在同一罐體上的校準探頭、高位測量探頭和低位測量探頭的溫度基本相同，因此，本發明實現了對溫度、介質變化等引起的信號變化的自動補償，可實現不同介質及寬溫度變化范圍下的有效準確測量。

附圖說明

圖1為現有的外貼超聲波液位開關測量系統的結構示意圖；

圖2為現有的外貼超聲波液位開關測量系統接收信號的溫度影響比較；

圖3為現有的外貼超聲波液位開關測量系統接收信號的材質影響比較；

圖4為現有的外貼超聲波液位開關測量系統接收信號的罐體壁厚影響比較；

圖5為自校準的外貼超聲波液位開關測量系統的結構示意圖(以空液校準探頭為例)；

圖6為自校準的外貼超聲波液位開關測量系統的40℃溫度下測量結果；

圖7為自校準的外貼超聲波液位開關測量系統的-40℃溫度下測試結果。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本專利的技術方案作進一步的詳細說明。

請參閱圖1-7，一種自校準的外貼超聲波液位開關測量系統，包括外貼超聲波液位開關主機1、校準探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4，所述校準探頭2安裝在罐體液位不能到達的空液位置或液位不會放空的有液位置的外部，高位測量探頭3安裝在罐體的外部上部的高位報警點，低位測量探頭4安裝在罐體的外部下部的低位報警點；校準探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4均與外貼超聲波液位開關主機1相連接。

上述，校準探頭2的作用，主要實現對以下因素進行自動補償：內壁表面變稠的粘附層、液體介質變化、液體溫度變化、罐壁溫度變化引起的信號幅度變化。

上述，校準探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4均為超聲波探頭，分別發射和采集罐壁內反射回來的信號。

上述，罐體可以是球型罐、臥式罐、立式罐或過程罐。

基于上述系統的測量方法，包括以下步驟：

步驟一、吸附在罐體外壁的校準探頭2、高位測量探頭3和低位測量探頭4分別發射和采集罐壁內反射回來的信號；

步驟二、外貼超聲波液位開關主機接收校準探頭、高位測量探頭和低位測量探頭的信號，校準探頭的信號為：v校準，高位測量探頭的信號為：v高，低位測量探頭的信號為：v低；

步驟三、根據v校準、v高和v低得出高位信號比值和低位信號比值，高位信號比值＝v高/v校準，低位信號比值＝v低/v校準。

上述，校準探頭的信號、高位測量探頭的信號和低位測量探頭的信號傳輸到外貼超聲波液位開關主機1處理后分別在液晶屏上顯示，計算信號的幅度比值后在儀表主體液晶屏上顯示。

根據液晶屏上顯示的信號，設定信號幅度的比值即設定比值。

步驟四、判斷有液無液：如果高位信號比值或者低位信號比值高于設定比值，就被判斷為無液，可以判斷高位測量探頭或低位測量探頭所在高度的罐體內無液；如果高位信號比值或者低位信號比值低于設定比值，就被判斷為有液，可以判斷高位測量探頭或低位測量探頭所在高度的罐體內有液。

高位或低位信號在液位上升或者下降時會發生變化，有液位到達或者漫過探頭位置時信號會下降，液位降到探頭下方之后信號會上升恢復到之前的信號強度。

現有技術中外貼超聲波液位開關測量系統由儀表主機1、高位探頭2、低位探頭3組成，由于容器內壁表面變稠的粘附層以及液體溫度、罐壁溫度的變化會引起接收信號幅度的變化，使得即使是在液位不變的情況下，安裝后探頭的信號值v信變化大，不穩定性、誤動率高，工作穩定性和可靠性差。而且，由于信號的幅值與每一個罐體的罐壁材質、壁厚、液體成分和溫度等有關，不同罐體上的v信差別很大，需要對每個罐體進行現場標定，人工調整設定值v設，安裝調試工作量很大，效率低，使用壽命約為2-6個月，致使實際上不能長期使用。

如圖2為現有的外貼超聲波液位開關測量系統接收信號的溫度影響比較圖，是在壁厚40mm，材質為碳鋼的同一無液空罐上，溫度分別為40℃和-40℃下的測試結果。通過對比可明顯發現其它工況不變情況下溫度對探頭測量信號的影響。

如圖3為現有的外貼超聲波液位開關測量系統接收信號的材質影響比較圖，是在壁厚為10mm，材質分別為碳鋼和有機玻璃的罐體上，相同溫度下測得的結果，通過對比可明顯發現材質對探頭測量信號的影響。

如圖4為現有的外貼超聲波液位開關測量系統接收信號的罐體壁厚影響比較圖，是在材質為碳鋼，壁厚分別為10mm和60mm的罐體上，相同溫度下測試的結果，通過對比可明顯發現厚度對探頭測量信號的影響。

本發明的原理是：將校準探頭2得到的同一溫度下的液位狀態已知的接收采集信號作為校準信號，與高位測量探頭3和低位測量探頭4的信號做比對，從而克服溫度變化引起的信號幅度變化對液位測量的影響，實現-40℃～100℃寬溫度變化范圍內的有效測量。

本發明判斷液位的有無不是直接通過測量信號幅值v和設定值v之間的比較來實現，而是通過高位測量探頭3與校準探頭2的信號比值或低位測量探4頭與校準探頭2的信號比值和設定比值之間的比較來實現。由于比較的是同一溫度狀態下的波形，因此，無論是有液或無液，在液位狀態不變的情況下，高位信號比值或低位信號比值基本上不隨溫度的變化而變化，從而實現了溫度的自動補償，保證了液位測量判斷的正確性，從圖6和圖7的測量結果可以看出，40℃和-40℃時的高位信號比值和低位信號比值基本不變，證明了這一測量方法的正確性及有效性。

本發明的解決方案是：

根據接收信號的幅值v判斷耦合劑的流失程度或耦合狀況，當探頭的信號減弱到一定程度時，外貼超聲波液位開關主機1發出一個故障信號給控制系統，提醒用戶給探頭增加耦合劑。

上面對本專利的實施方式作了詳細說明，但是本專利并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下作出各種變化。