一种基于超声波的液位监控系统的制作方法

本申请涉及液位监控技术领域，尤其涉及一种基于超声波的液位监控系统。

背景技术：

在高温超导磁悬浮技术中，通常是将超导块材浸泡在液氮中，使其温度降低进入超导状态，进入超导态的超导块材与外磁场作用即可达到稳定悬浮。在高温超导磁悬浮车的整个运行过程中，必须保证超导块材始终是浸没在液氮容器(例如，车载杜瓦)内的液氮里面，才能避免发生失超现象。高温超导体失超将导致列车失去悬浮力，和轨道发生摩擦甚至脱轨。

然而，由于液氮容器的金属材质和真空绝热特性，无法用肉眼观察液氮容器内的剩余液氮液位高度，所以必须使用合适的液氮液位监控系统对液氮容器内的液氮液位进行监控，以判断是否需要及时加注液氮。

目前，现有技术中的液氮液位监控方法通常都是利用接触式的方法来测量液氮容器内的液位，并在测量得到了液氮液位之后，再通过转换得到密闭且不可视的液氮容器内的液面高度。通过设置最高和最低液面，在需要的时候补液和排液，从而控制液氮容器内的液氮液位高度处于预设的范围内。

但是，由于现有技术中的监控方法均是使用接触式测量，因此需要将线缆和传感器引入到液氮容器中，这会增加热传导从而增加了液氮的损耗。另一方面，液氮为温度极低的液体且容易挥发，因此对于接触式测量的传感器、引线等硬件的材料要求极高，而且液氮容器内外的巨大温差会导致传感器表面出现结霜现象，从而必然会影响到整个监控系统的精度和长期稳定性，所以极易造成测量误差，不适宜长期测量。此外，现有技术中对液氮液面的监控，是一种半自动的监控方案，需要人的参与，无法实现对液氮液位的实时检测、低液位报警、液氮自动灌装、充满自动切断并提醒等功能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于超声波的液位监控系统，从而可以对液氮容器内的液氮的液位值进行实时检测和显示，并实现对液氮容器进行自动补液的功能。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种基于超声波的液位监控系统，该系统包括：超声波传感器、控制器、自增压式液氮储存罐、主电磁阀、次电磁阀、增压阀、排气减压阀和排气阀；

所述超声波传感器设置在用于盛放液氮的液氮容器的出气口的上方，并与所述控制器的模拟量输入通道连接；

所述控制器分别与超声波传感器、主电磁阀、次电磁阀、排气减压阀、增压阀、排气阀和上位机连接；

所述第一输液管道的一端伸入自增压式液氮储存罐中的液氮中，另一端伸出所述自增压式液氮储存罐与所述主电磁阀连接；

所述主电磁阀的一端与所述第一输液管道连接，另一端与所述灌液管道的一端连接；

所述灌液管道的另一端与所述次电磁阀的一端连接；

所述次电磁阀的另一端与所述第二输液管道的一端连接；

所述第二输液管道的底部伸入所述液氮容器内，顶部伸出所述液氮容器与所述次电磁阀连接；

所述排气阀设置在所述灌液管道上；

所述减压管道的底部伸入所述自增压式液氮储存罐内，顶部伸出所述自增压式液氮储存罐与所述排气减压阀连接；

所述增压管道的底部伸入所述自增压式液氮储存罐内，顶部伸出所述自增压式液氮储存罐与所述增压阀连接。

较佳的，所述液氮容器的出气口处还设置有吸音材料。

较佳的，所述系统还包括：一个或多个信号灯；

所述控制器分别与各个信号灯连接，并通过控制信号来控制各个信号灯的通断。

较佳的，所述控制器为可编程逻辑控制器。

较佳的，所述上位机为个人电脑、服务器或控制中心。

如上可见，在本发明中的基于超声波的液位监控系统中，由于是使用超声波传感器来监测液氮容器内的液位，无需将线缆和传感器引入到液氮容器中，因此是一种非接触式的测量方式，而并不是接触式测量方式，从而可以有效地避免接触式测量所导致的漏热问题，避免了热传导而导致的液氮的损耗；而且，由于超声波传感器不需要接触液氮容器，因此也避免了液氮容器内外的巨大温差而导致的传感器表面结霜的现象，监测精度更高、更准确，提高了整个监控系统的精度和长期稳定性。另外，本发明中的液位监控系统还可以根据实时检测到的液氮容器内的液位，自动向液氮容器内补充液氮，从而实现全自动的液氮自动灌装，而不需要工作人员的参与，而且还可以减少的灌液时间和液氮损耗。另外，本发明中的液位监控系统还可以进一步实现低液位报警、液氮充满后自动停止灌装并提醒等功能。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于超声波的液位监控系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中的基于超声波的液位监控系统的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例中的基于超声波的液位监控系统包括：超声波传感器4、控制器14、自增压式液氮储存罐12、主电磁阀9、次电磁阀6、增压阀11、排气减压阀10和排气阀7；

所述超声波传感器4设置在用于盛放液氮1的液氮容器2的出气口3的上方，并与所述控制器14的模拟量输入通道连接；

所述控制器14分别与超声波传感器4、主电磁阀9、次电磁阀6、排气减压阀10、增压阀11、排气阀7和上位机13连接；

所述第一输液管道21的一端伸入自增压式液氮储存罐12中的液氮中，另一端伸出所述自增压式液氮储存罐12与所述主电磁阀9连接；

所述主电磁阀9的一端与所述第一输液管道21连接，另一端与所述灌液管道8的一端连接；

所述灌液管道8的另一端与所述次电磁阀6的一端连接；

所述次电磁阀6的另一端与所述第二输液管道22的一端连接；

所述第二输液管道22的底部伸入所述液氮容器2内，顶部伸出所述液氮容器2与所述次电磁阀6连接；

所述排气阀7设置在所述灌液管道8上；

所述减压管道23的底部伸入所述自增压式液氮储存罐12内，顶部伸出所述自增压式液氮储存罐12与所述排气减压阀10连接；

所述增压管道24的底部伸入所述自增压式液氮储存罐12内，顶部伸出所述自增压式液氮储存罐12与所述增压阀11连接。

在上述的基于超声波的液位监控系统中，超声波传感器可以发射声波，该声波通过液氮容器的出气口进入液氮容器的内部，在液氮容器内的液面处发生反射。当超声波传感器检测到被反射回来的回波时，超声波传感器发射声波和接收声波的时间均可通过控制器的模拟量输入通道输入到控制器中。

该控制器通过计算声波的发送时间与接收时间之间的差值，即可根据该差值以及声速计算得到超声波传感器到液氮容器内的液面处的距离。然后，再根据该超声波传感器的安装高度以及液氮容器的高度，即可计算得到液氮容器内的液氮的当前液位值。该控制器可以将液氮容器内的液氮的当前液位值发送给上位机(例如，通过pc/ppi线缆发送给上位机)，从而使得用户可以通过上位机来实时监测液氮容器内的液氮的液位值。

另外，由于该控制器还分别与主电磁阀、次电磁阀、排气减压阀、增压阀、排气阀和上位机连接，因此该控制器还可以通过控制信号(例如，通过控制器的数字量输出通道输出高电平或低电平)来控制主电磁阀、次电磁阀、排气减压阀、增压阀和排气阀的通断，从而可以进一步地实现对液氮容器自动补液的功能。

例如，当控制器根据超声波传感器发射声波和接收声波的时间，以及超声波传感器的安装高度和液氮容器的高度，计算得到液氮容器内的液氮的当前液位值之后，可以根据液氮容器内的液氮的当前液位值来确定是否需要向液氮容器内补充液氮。例如，当液氮容器内的液氮的当前液位值小于预设的最低液面值时，即可开始向液氮容器内补充液氮。

当需要向液氮容器内补充液氮时，控制器可以通过控制信号使得灌液管道8上的常开排气阀7关闭(在不需要向液氮容器内补充液氮时，该排气阀7处于打开状态，以保证灌液管道8中的气压是一个安全的压强，从而防止灌液管道8中气压过大而导致灌液管道8被破坏；而当需要向液氮容器内补充液氮或对灌液管道8进行预冷时，为了保证灌液管道8中有足够的气压，以利用压强差将液氮压入液氮容器或灌液管道8中，因此需要关闭该排气阀7)，使得自增压式液氮储存罐12上的常开排气减压阀10关闭(在不需要向液氮容器内补充液氮时，该排气减压阀10处于打开状态)，并使得自增压式液氮储存罐12上的常闭增压阀11打开(在不需要向液氮容器内补充液氮时，该增压阀处于关闭状态)。此时，外界热量将通过增压阀和增压管道进入自增压式液氮储存罐，使得自增压式液氮储存罐内的液氮加快蒸发，进而使得自增压式液氮储存罐内的气压增加，从而达到了增压的目的。

当自增压式液氮储存罐内的气压增大时，自增压式液氮储存罐内的液氮将沿着第一输液管道上升。另外，在向液氮容器内补充液氮之前，需要先对灌液管道进行预冷。因此，此时控制器可以通过控制信号使得第一输液管道上的常闭主电磁阀打开(在不需要向液氮容器内补充液氮时，该主电磁阀处于关闭状态)，并使得第二输液管道上的次电磁阀关闭，因此自增压式液氮储存罐内的液氮将沿着第一输液管道，通过主电磁阀进入到灌液管道中。由于此时主电磁阀打开，而次电磁阀还是处于关闭状态，因此进入到灌液管道中的液氮将会迅速地汽化，使得灌液管道的温度被迅速地降低。此时，控制器可以通过控制信号打开灌液管道8上的排气阀7，汽化后的液氮将从该排气阀7排出灌液管道。

在预冷预设时长之后，控制器可以通过控制信号关闭灌液管道8上的排气阀7，并打开第二输液管道上的次电磁阀，从而使得灌液管道8的液氮流入液氮容器2中，开始向液氮容器2中补充液氮。

当不再需要向液氮容器2中补充液氮时(例如，液氮容器内的液氮的当前液位值大于或等于预设的最高液面值时)，控制器可以通过控制信号关闭第二输液管道上的次电磁阀，关闭第一输液管道上的主电磁阀，并打开灌液管道8上的排气阀7，停止向液氮容器2中补充液氮，并使得各个电磁阀恢复到补液前的状态，从而可以实现液氮充满后自动停止灌装的功能。此时，控制器还可以进一步向上位机发送提醒信息，以告知用户已经完成了液氮的自动灌装。

另外，在本发明的技术方案中，在不需要向液氮容器内补充液氮时，自增压式液氮储存罐12上的排气减压阀10是处于打开状态，从而可以释放自增压式液氮储存罐内的气压，以维持自增压式液氮储存罐内的压强处于恒定状态。而当需要向液氮容器内补充液氮时，控制器可以通过控制信号使得该排气减压阀10关闭，并打开增压阀11，使得自增压式液氮储存罐内的液氮加快蒸发，进而使得自增压式液氮储存罐内的气压增加，从而使得自增压式液氮储存罐内的液氮被气压压入灌液管道8中。

另外，在本发明的技术方案中，当液氮容器内的液氮的当前液位值小于预设的报警液面值时，控制器还可以向上位机发送报警信息，以提醒用户当前的液位值已经低于报警液面值，需要向液氮容器内补充液氮。

根据上述描述可知，通过上述的基于超声波的液位监控系统，不仅可以对液氮容器内的液氮的液位值进行实时检测，还可以实现低液位报警、液氮自动灌装、液氮充满后自动停止灌装并提醒等功能。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述液氮容器2的出气口3处还设置有吸音材料5。该吸音材料5可以有效地减少超声波传感器全发射角内的其他区域发射的回波干扰，从而进一步地提高系统的监控结果的准确度。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述基于超声波的液位监控系统中还可以进一步包括：一个或多个信号灯15；

所述控制器14分别与各个信号灯15连接(例如，通过控制器的数字量输出通道与各个信号灯连接)，并通过控制信号来控制各个信号灯15的通断，从而可以实现液位指示、低液位报警、充满后自动提醒等功能。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述控制器可以是可编程逻辑控制器(plc)。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述上位机可以是个人电脑、服务器或控制中心等各种设备。通过在所述上位机中设置组态软件，所述上位机可以根据接收到的数据，实时显示液氮液位，还可以进一步生成历史警报和相关数据报表等。

此外，由于温度对声波的传播速度影响较大，因此在对液氮容器内的液氮的当前液位进行监控时，还可以进一步考虑液氮容器内外的巨大温差对监测结果的准确性的影响。

因此，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，在设置超声波传感器之后，还可以对该超声波传感器进行温度补偿。

例如，可以通过如下所述的步骤对该超声波传感器进行温度补偿：

步骤1，将超声波传感器安装固定之后，将液氮容器内的液氮的液位调至最高液面值。

步骤2，通过超声波传感器测量得到液氮容器内的液氮的当前液位值，并将该当前液位值作为第一液位值。

步骤3，将液氮容器内的液氮的液位调至最低液面值。

步骤4，通过超声波传感器测量得到液氮容器内的液氮的当前液位值，并将该当前液位值作为第二液位值。

步骤5，根据最高液面值、最低液面值、第一液位值和第二液位值计算得到与液氮容器内的液氮的各个液位值对应的温度补偿值。

因此，在本发明的技术方案中，当液氮容器内的液氮的液面处于最低液面值和最高液面值之间的任一位置时，都可以利用第一液位值和第二液位值来进行温度补偿。

在本发明的技术方案中，只需在超声波传感器首次安装时进行上述的温度补偿，此后则不再需要进行上述的温度补偿。

综上所述，在本发明的技术方案中，由于是使用超声波传感器来监测液氮容器内的液位，无需将线缆和传感器引入到液氮容器中，因此是一种非接触式的测量方式，而并不是接触式测量方式，从而可以有效地避免接触式测量所导致的漏热问题，避免了热传导而导致的液氮的损耗；而且，由于超声波传感器不需要接触液氮容器，因此也避免了液氮容器内外的巨大温差而导致的传感器表面结霜的现象，监测精度更高、更准确，提高了整个监控系统的精度和长期稳定性。另外，本发明中的液位监控系统还可以根据实时检测到的液氮容器内的液位，自动向液氮容器内补充液氮，从而实现全自动的液氮自动灌装，而不需要工作人员的参与，而且还可以减少的灌液时间和液氮损耗。另外，本发明中的液位监控系统还可以进一步实现低液位报警、液氮充满后自动停止灌装并提醒等功能。此外，在本发明的技术方案中，由于还可以进一步对超声波传感器进行温度补偿，因此可以提高液位测量的准确度和精度。所以，与现有技术中的相关技术相比，本发明中的上述基于超声波的液位监控系统的自动化程度很高，适应电磁环境的能力强，人机界面友好，因此特别适合磁悬浮列车工程化这一具体的应用情景；而且，本发明中采用控制器(例如，plc)加上位机(例如，个人电脑)的监控方式，也很适合磁悬浮列车上的复杂电磁环境。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。