專利名稱：聲納式液位計的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及液位測量儀器，更具體地說，是涉及一種聲納式液位計。
目前使用的液位計有插管式液位計和浮球式等數種，插管式液位計是在容器上插入一根玻璃管直接觀察液面位置的高度。浮球式則在容器內裝一金屬空心浮球，通過連桿機械從容器外部觀測漂在液面上的浮球的高度。現有的這些液位計都有一個共同的缺點，即都要在容器壁上開孔，這就會影響密封性和可能造成貯放在容器內液體的泄漏。這在壓力容器的情況下，問題就顯得更加嚴重，由于壓力容器內的壓力可能高達幾十、甚至幾百大氣壓，開孔造成應力集中，嚴重地影響到高壓容器的安全性和可靠性。
本實用新型的目的就是要在無需對容器開孔的情況下實現對容器內液體液位的測量。這保證了容器、特別是壓力容器的密封性、安全性和可靠性。
本實用新型是利用聲納原理來測量容器內液體液位的高度，通過一個間歇振蕩器，周期性地產生一個持續期很短的超音頻振蕩信號；將該振蕩信號送至一個超聲波發射、接收探頭，它將該振蕩信號轉換成超聲波，從容器的底壁上沿垂直于該液體自由上表面的方向發射超聲波，并接收反射的超聲波、將其轉換成相應的電信號；用一個液位高度測量顯示裝置來測定由容器中液體上表面反射回來的超聲波信號與所說超音頻振蕩信號或與由容器中液體與容器底壁交界的下表面反射回來的超聲波信號之間的時間間隔，從而得出容器中液位高度的一個量度。
本實用新型還利用安裝在容器中的一個離容器底壁距離固定的校準裝置和一個位于其下方容器底壁外側的校正探頭來校準液位計的讀數，以便在不同種類的液體下、在不同的溫度下獲得液位高度的準確讀數。
這種聲納式液位計可以用于代替現在使用的各種液位計，安裝和使用極為簡單、方便。本聲納式液位計可用電池供電，所需電壓低，耗電量小，不會打火，所以特別適用于貯存易燃液體容器的液位測量，使用安全。全部元器件均選用失效率為10－6小時－1數量級以下的元器件，經嚴格老化篩選后安裝使用，安裝在壓力容器上時，探頭、探頭饋線均裝在金屬殼內，整個電路裝置裝在密封金屬盒內，這樣可使該液位計的平均使用壽命超過10年以上。
通過以下參照附圖的描述，本發明的目的、特征和優點將成為更加明顯。
圖1是本實用新型的聲納式液位計的示意方塊圖，說明了該液位計的工作原理。
圖2表示了圖1中各點處的波形圖。
圖3是圖1的一個部分放大剖面圖，表示了安裝在容器中的校裝置。
圖4表示了圖1中液位高度測量顯示裝置的一個實施方案。
圖5表示了圖1中液位高度測量顯示裝置的另一個實施方案。
參照圖1，在接通電源后，間歇振蕩器(見《超聲波探傷技術及探傷儀》，國防工業出版社，1977年9月，274頁圖4－57)周期性地產生一個持續期很短的超音頻振蕩信號01，其波形圖如附圖2中A所示。振蕩持續期τ很短，例如約1微秒左右，它取決于最低測量液位的高度，間歇振蕩的周期較長，例如約20毫秒，它與最高測量液位的高度有關。在測量狀態下，該超音頻振蕩信號由放大器(見同書250頁圖4－31)放大后經校準／測量轉換開關K送到超聲波發射、接收探頭(見同書218－220頁)S1上，探頭S1將該超音頻振蕩信號轉換成超聲波從容器的底壁外側射入容器，其射入方向應調整成大致與液體的自由上液面垂直。
每一個超聲波脈沖在容器底壁與液體的界面上會產生反射，反射的超聲波脈沖由探頭S1接收后，轉換成一個超音頻振蕩電信號02，出現在圖1的B點處。同樣，由探頭S1發射的超聲波脈沖在容器上方液體與空氣的界面上也會引起反射，形成另一個反射波，這個反射波被探頭S1接收后，轉換成另一個超音頻振蕩電信號03，也出現在圖1的B點處。于是，對于間歇振蕩器產生的每一個超音頻振蕩信號01，在附圖1的B點處先后出現3個超音頻振蕩信號，它們如圖2中B所示。其中第一個振蕩信號01與第二個振蕩信號02間的時間間隔t1是超聲波從容器底壁外側沿垂直方向傳播到底壁內側時間的2倍，而第二個振蕩信號與第三個振蕩信號之間的時間間隔t2就是超聲波從容器底壁內側沿垂直液面方向傳播到液體上表面經過時間的2倍，因為超聲波在某一液體中的傳播速度是恒定的，所以時間t2與圖1中的液位高度h1成正比，即它是液位高度的一個量度。圖1A點處的間歇振蕩器輸出信號觸發一個單穩態電路(見同書247－248頁圖4－27，圖4－28)，產生一個脈寬略大于超音頻振蕩信號持續期τ的矩形脈沖，利用這個矩形脈沖去阻斷間歇振蕩器輸出的超音頻振蕩信號進入液位測量顯示裝置。例如，可以用這個矩形脈沖使一個與門電路(見同書249頁圖4－29，251頁圖4－32)關閉略大于τ的時間，從而阻止了圖2B中第一個振蕩信號01通過與門，允許第二個和第三個振蕩信號02和03通過與門電路、進入液位測量顯示裝置，以便測定這兩個振蕩信號之間的時間間隔，作為液位高度的一個量度。顯然，如果可以忽略容器底壁厚度帶來的誤差，也可以通過測量第一個振蕩信號01與第三個振蕩信號03之間的時間間隔，作為液位高度的一個量度。單穩態電路的輸出還可以作為復位信號送到液位測量顯示裝置，使它對間歇振蕩器產生的每一個超音頻振蕩信號產生的回波信號進行一次測量。
液位測量顯示裝置可以采用示波器的形式(見同書244頁圖4－22、246頁圖4－25、247頁圖4－26)，通過在熒光屏上顯示兩個信號的時間間隔獲取液位高度的指示。采用電池供電的液晶顯示示波器是一種優選的形式，也可以用時間間隔數字顯示裝置來作為液位測量顯示裝置，圖4給出了這種具體的實施方案(見《電子儀器的電路設計》，科學出版社，1986年9月，338頁圖17－17，247頁圖12－6，96頁圖5－20、123頁圖E－3)。圖1中C點處的信號觸發雙穩態電路，產生一個脈沖寬度與圖2B上的第二、第三振蕩信號之間的時間間隔t2相等的矩形脈沖，在這一脈沖寬度時間內，與門導通t2時，使多諧振蕩器產生的計數器脈沖通過該與門，由計數器進行計數，計數器的計數結果與所說的時間間隔t2、因而也就是液位高度h1成正比，因而是液位高度的一個量度。一個數字顯示器對計數器的計數結果進行數字顯示，直接以液位高度的形式給出顯示。要求多諧振蕩器的頻率比較精確穩定。
此外，也可以對液位高度進行指針式顯示(見前《超聲波探傷技術及探傷儀》，274－275頁圖4－59、圖4－60)，圖5表示了這樣一個具體實施方案。顯然，雙穩態電路的輸出是一系列周期與間歇振蕩器輸出信號周期相同、脈寬等于時間間隔t2的矩形脈沖，其直流分量與脈寬成正比，因此，圖5中直流電壓表的指示就是液位高度的一個量度。
由于超聲波在液體中的傳播速度與液體的種類、溫度有關，為了使本液位計在不同溫度下能夠精確指示不同種類液體的液位高度，本液位計設置了一個校準裝置。在每次使用該液位計之前，應先進行校準。參見附圖3，容器中有一個固定在支架5上的校準空盒4，正對其下方的容器底壁外側設置一個與探頭S1完全一樣的校準探頭S2，該空盒內有空氣，并且是密封的，其下表面6很薄，例如約為0.2毫米，以致在校正時可以不計其厚度的影響。該下表面距容器底面的高度精確地等于一個基準高度l，例如l準確地為20厘米。校準時，先將校準／測量轉換開關K轉到校準位置，使間歇振蕩器的輸出放大后經K送至校準探頭S2上，與測量時描述過的情況相似，液位測量顯示裝置這時將顯示出該校準空盒下表面距容器底壁的高度。調節圖4中多諧振蕩器的調節電位器W來調節計數脈沖的頻率，使數字顯示器的讀數準確地等于基準高度l，在用示波器顯示的情況下，可以調節示波器的水平放大器的增益，使得用液位高度單位指示的脈沖間隔準確地等于基準高度l。在圖5的指針式指示情況下，可以通過調節雙穩態電路輸出脈沖的幅度使指針指示準確地等于基準高度l。
由于容器在實際使用中，往往不能保持完全水平的位置，造成容器中各處的液位高度不相等。為了能測出不同位置處的液位高度，也可以設置多個超聲波發射、接收探頭，圖1中示出了兩個測量探頭(S1、S3)的情況。通過轉動校準／測量轉換開關，就可以方便、迅速地測量出各測量探頭處的液位高度(如h1和h2)。
以上結合附圖對本實用新型具體實施例的說明只是用于展示發明，而不是對本實用新型的限制，本實用新型的范圍是由所附的權利要求書來限定的。
權利要求1.一種聲納式液位計，由間歇振蕩器、放大器、單穩態電路、與門電路、液位測量顯示裝置和超聲波發射、接收探頭S1組成，其特征是間歇振蕩器與放大器及單穩態電路相連接；放大器接向超聲波發射、接收探頭S1和與門電路；單穩態電路接向與門電路及液位測量顯示裝置；超聲波發射、接收探頭S1位于容器底壁的外側，其發射方向與液體的自由上表面垂直。
2.按權利要求1所述的一種聲納式液位計，其特征是液位測量顯示裝置可以是以下三種形式之一(1)示波器(在熒光屏上顯示兩個信號的時間間隔)；(2)時間間隔數字顯示裝置；(3)雙穩態電路與直流電壓表組成的指針式顯示裝置。
3.按權利要求1或2所述的一種聲納式液位計，其特征是在容器中有一固定在支架5上的校準空盒4，內有空氣并且是密封的，其下表面6很薄(0.2毫米)，其下表面6距容器底面的高度精確地等于一個基準高度l；在校準空盒4下方的容器底壁外側設置一個與超聲波發射、接收探頭S1完全一樣的校準探頭S2；另外具有校準／測量轉換開關K。
專利摘要本實用新型稱為聲納式液位計，是利用聲納原理從容器外邊來測量容器液體液位的高度，通過一個間歇振蕩器，周期性地產生一個持續期很短的超音頻振蕩信號；將該振蕩信號送至一個超聲波發射、接收探頭，它將該振蕩信號轉換成超聲波，從容器的底壁上沿垂直于該液體自由上表面的方向發射該超聲流，并接收反射的超聲波，將其轉換成相應的電信號；用一個液位高度測量顯示裝置來測定由容器中液體上表面和下表面分別反射回來的超聲波信號之間的時間間隔，從而得出容器中液位高度的一個量度。
文檔編號G01F23/28GK2100612SQ90209099
公開日1992年4月1日 申請日期1990年6月26日 優先權日1990年6月26日
發明者王定華 申請人:王定華