专利名称：一种光电式彩色液位显示器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光电式彩色液位显示器，属液位观察仪表，适用于化工、炼油企业或油品存储部门的容器中导电或非导电液体的液位观察。
现有技术中，能观察导电液体，也能观察非导电液体的光电式双色液位显示器，是由红外发射管发出的光通过等腰直角棱镜或长条形等腰直角棱镜的直角面垂直射入棱镜，经棱镜底面反射后的那束光射到接收管。那束光在棱镜底面的外侧遇到空气时，反射光强；遇到液体时，反射光弱。由反射光的强弱通过信号转换电路使双色发光管显示不同颜色，两种颜色的界面表示液位。它是利用空气、液体两相对光的折射率的差别来显示液面的，对于液、汽两相或互不相溶的液、液两相折射率差别不大的液体，分辨率不高，因而在使用范围上受到限制，主要用于水位观察。
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处而设计的一种光电式彩色液位显示器，称超声检测光电式彩色液位显示器。
本实用新型的目的可以通过下述方案实现显示器由透明管连通器、超声传感器及其信号转换电路、电子发光元件、光色控制电路、液位报警信号发生电路、反光镜等部件组成。当与被观察容器相连通的透明管连通器内液位变化时，设在连通器顶部的超声传感器输出相应信号，经信号转换电路处理后，输入光色控制电路，使设在透明管连通器外侧的电子发光元件向连通器内的液体区域发出一种颜色的光，没有液体的部分(或另一种液体)的区域发出另一种颜色的光，两种颜色的界面表示液面(或两种液体的界面)。在电子发光元件两侧装有反光镜，将发光元件所发光线全部集中于透明管连通器内，使连通器内液、汽(或液、液)两相分别显示出不同的光色，色彩鲜艳纯正。同时由于透明管连通器内在没有液体的部分相当于凹透镜，发光体在径向被缩小；有液体的部分相当于凸透镜，发光体在径向被放大，其光色充满整个液区，液、汽两相界面十分清晰。可选用不同的电子发光元件，使液、汽(或液、液)区域呈现所需要的光色。
这样的设计不但适用于容器中导电或非导电液体的液位观察，而且更适于观察液化石油气等易燃、易爆和剧毒、强腐蚀液体的液位，也可用于观察液、液两相中的液位。显示器分辨率高，使用可靠，色彩鲜艳纯正，液、汽(或液、液)界面十分清晰。
附图的图面说明如下
图1为超声检测光电式彩色液位显示器结构图；图2为超声检测光电式彩色液位显示器电路框图；图3为超声式液位检测器电路；图4为光色控制电路；图5为液位报警信号发生电路。
下面结合实施例对本实用新型作进一步的陈述图1为超声检测光电式彩色液位显示器结构图。当透明管如石英玻璃管连通器(3)及其并列的连通器(5)内的液面发生高度变化时，超声传感器(1)输出相应的电信号，经超声式液位检测器电路(13)送给光色控制电路(6)，使电子发光元件(4)与液面等高的部分发出一种光色如绿光，没有液体或另一种液体的部分发出另一种光色如红光。绿、红光透射到透明管连通器(3)，使连通器(3)内的液体呈现出绿色，没有液体(或另一种液体)的部分呈现出红色。电子发光元件(4)的两侧与透明管连通器(3)之间装有反光镜(2)，使电子发光元件(4)所发出的绿、红光集中于透明管连通器(3)内，增强其光强。保护钢套(7)用来保护透明管连通器(3)免遭意外的冲击。密封圈(8)可用石墨等材料。液阀(9)和汽阀(10)分别与被观察容器的液、汽管线相连接，使被观察的容器与显示器的透明管连通器(3)及连通器(5)连通。排污管连接法兰(11)与用户的排污管线相连接，用来对显示器中的透明管连通器(3)或连通器(5)进行定期冲洗。
图2是超声检测光电式彩色液位显示器电路框图。超声波换能器(1)的晶片材料可用锆钛酸铅。外径为20毫米、频率1.25兆赫。超声液位检测器电路(13)包括时基脉冲发生器(13－1)、超声激励脉冲器(13－2)、脉冲延时电路(13－3)、移位节拍脉冲发生器(13－4)、移位节拍脉冲控制门(13－5)、回波脉冲接收和放大电路(13－6)、移位寄存器(13－7)。(6)为光色控制电路。(12)为液位报警信号发生电路。
频率为500赫的时基脉冲发生器(13－1)发出频率为1.25兆赫的电脉冲，经超声激励脉冲发生器(13－2)放大，去激励换能器(1)，发射出1.25兆赫的超声波，通过容器壁进入被观察液体，并在界面发生反射。其反射波由换能器(1)变成回波脉冲送入回波脉冲接收和放大电路(13－6)。设液面高度为H，超声波在液体中的传播速度为Ce，则H＝1／2Ce△t，式中△t即为超声波来回传播时间。时基脉冲发生器(13－1)在触发的同时通过脉冲延时电路(13－3)打开移位节拍脉冲控制门(13－5)，回波脉冲通过回波脉冲接收和放大电路(13－6)关闭移位节拍脉冲控制门(13－5)。调节脉冲延时电路(13－3)的延时时间t，使其等于超声波在器壁中来回传播时间，则移位节拍脉冲控制门(13－5)的开启时间等于超声波在液体里的来回传播时间△t。由于移位寄存器(13－7)的DS端在移位期间恒为“1”，设移位节拍脉冲的频率为fo，则H＝nCe／2fo，式中n为脉冲个数，调整fo，使Ce／2fo＝1，则移位寄存器(13－7)中为“1”的个数，即为移位脉冲的个数，也就是直接反映了被观察液面的高度。移位寄存器(13－7)的状态送入光色控制电路(6)。
图3是超声式液位检测器电路(13)。与非门YF1、YF2构成频率为500赫的时基脉冲发生器(13－1)，调整R1可调其振荡频率。E是超声波换能器(1)。时基脉冲输入超声激励脉冲器(13－2)，其与非门YF3～YF5构成环形振荡器在时基脉冲的控制下发出频率为1.25兆赫的电脉冲，经与非门YF6倒相后推动BG1(3DG6)去激励换能器(1)发出频率为1.25赫的超声波。
时基脉冲在触发环形振荡器的同时还输出两路信号，一路经与非门YF17、YF18组成的积分单稳电路变成负极性窄脉冲，作为由T1164组成的移位寄存器(13－7)的清“0”脉冲，移位寄存器(13－7)的级数根据显示液面的最大高度而定，一般由两级T1164组成的移位寄存器可显示的液面高度为320mm。单稳电路输出的负脉冲宽度取决于R11和C11，当R11＝100Ω，C11＝2.2μf时，负脉冲宽度约为0.1ms。另一路信号经与非门YF14、YF15及R10、C10构成的脉冲延时电路(13－3)，经延时t后由与非门YF8、YF9组成的测时双稳电路置“1”，从而打开由与非门YF13组成的移位节拍脉冲控制门(13－5)，由与非门YF11、YF12组成的移位节拍脉冲发生器(13－4)开始对由T1164组成的移位寄存器(13－7)进行移位计数。由于由YF8、YF9组成的测时双稳在计数期间恒为“1”，因此移位寄存器(13－7)中为“1”的个数，直接与移位脉冲的个数相对应。
延时时间t决定于R10与C10的乘积，根据超声波在容器壁来回传播所需时间调整。
集成电路μpc1373及其相关的外围元件构成高增益选频回波脉冲接收和放大电路(13－6)。当换能器(1)接收到超声回波后，变成毫伏级电信号送入μpc1373的输入端，经放大、检波、整形后，输出负脉冲加到由BG2(3DG6)构成的反相器。外围元件中C9(33pf)、L1(1mH)构成谐振频率为1.25兆赫的谐振回路，以提高放大器增益。
由于发送和接收共用同一块换能器(1)，μpc1373的信号输入端杂有很大的发射信号。为避免放大器阻塞，在输入端采用D1、D2二极管并联限幅方式对输入信号进行限幅。
BG2输出的回波脉冲，送到与非门YF7、YF7的另一输入端受时基脉冲的控制。只有在时基脉冲为低电位(即无超声激励脉冲)时，与非门YF7打开，回波脉冲将YF8、YF9组成的双稳电路置“0”，从而关闭移位节拍脉冲控制门(13－5)，移位寄存器(13－7)停止移位计数，并在下一个时基脉冲到来之前，保持移位寄存器(13－7)的状态不变，调整电阻R12可调整移位节拍脉冲的频率，使Ce／2fo＝1，这样移位寄存器(13－7)的状态直接反映了液位高度。可将移位寄存器(13－7)的状态直接送入光色控制电路(6)。
由于时基脉冲频率达500赫，对观察者看来，液位的检测和分色显示是连续的。
为了对同一容器中互不相溶的液、液、液或液、液、汽实现分色显示，构成三相分色显示器，则电子发光元件(4)采用双芯共阴极变色发光管，并在连通器(5)的上、下端各装一个超声换能器(1)及超声液位检测器电路(13)，分别得到上、下液位界面的高度信号，送到光色控制电路(6)。当双芯共阴极变色发光管管脚1的电位高于管脚3(阴极)时，发出一种颜色的光(例如红光)，当管脚2的电位高于管脚3时，发出另一种颜色的光(例如绿光)，如果管脚1、管脚2同时高于管脚3时，发出第三种颜色的光(例如橙光)。因此，光色控制电路(6)在上液位界面的高度信号控制下，使电子发光元件(4)发出橙光；在下液位界面的高度信号控制下，使电子发光元件(4)发出绿光；在上下界面之间的电子发光元件(4)发出红光，实现对同一容器中互不相溶的液、液、液或液、液、汽的分色显示。
图4是光色控制电路(6)。信号L、R来自液位报警信号发生电路(12)，Iif、Ii液位信号来自超声式液位检测器电路(13)。当液位处于正常区域时，L、R信号均高电位。Iif高电位时，Ii为低电位，于是与门Yif输出高电位，与门Yi输出低电位，电子发光元件D1发出绿光。当Iif为低电位时，Ii高电位，于是与门Yif输出低电位，与门Yi输出高电位，电子发光元件Di发出红光。
当液位超过所允许的最高液位时，信号L变成频率为0.5赫的方波脉冲，于是与门Yif的输出不仅受液位信号Iif的控制，而且受信号L的控制，所有发绿光的电子发光元件Di都以0.5赫的频率闪烁发光。
同样，当液位下降到低于所允许的最低液位时，信号R变成频率为0.5赫的方波脉冲，使发红光的电子发光元件Di都闪烁发光。
Di阴极接地电阻Ri为620Ω可调，使Di工作电流10mA。
图5是液位报警信号发生电路(12)。与非门YF1、YF2构成多谐振荡器。电容C为10μf、电阻R560Ω可调，振荡周期约2秒。信号KR、KL分别来自显示器面板上高、低报警液位设置开关。设置开关可采用电视机频道转换按键开关。高报警液位设置开关的12位按键，一端分别与液位检测器的I18～I30一一相连，另一端互相串联后作为信号KL。按下某位按键，例如第3位按键，当液位上升使I20变低，KL随之变低，与非门YF3输出为高电位，打开与非门YF5，信号L变成方波脉冲，同时KL的变低使与非门YF6输出高电位，从而使蜂鸣器发出连续的嘀声。所允许的液位高度可通过不同的按键来设置。
同理，低液位报警设置开关的12位按键分别与I10～I22一一相连，另一端互相串联后作为信号KR。按下某位例如第3位按键，当液位下降到使I12变高时，KR变高，打开与非门YF4，信号R变成方波信号，同时与非门YF6输出高电位，使蜂鸣器发出连续的嘀声。所允许的最低报警液位，可通过按下不同的按键来选择。
上述各电路中，除注明外，电阻均为1／8W；反相器可用7404集成电路；与非门可用7400集成电路，与门可用7408集成电路；电子发光元件可用4PT241。
权利要求1.一种光电式彩色液位显示器，结构包括透明管连通器、传感器及其信号转换电路、电子发光元件，其特征在于所说的传感器及其信号转换电路是超声波换能器(1)和超声式液位检测器电路(13)，信号经超声式液位检测器电路(13)输入光色控制电路(6)，控制设在透明管连通器(3)外侧的电子发光元件(4)。
2.按权利要求1所述的显示器，其特征在于超声式液位检测器电路(13)包括时基脉冲发生器(13－1)、超声激励脉冲发生器(13－2)、脉冲延时电路(13－3)、移位节拍脉冲发生器(13－4)、移位节拍脉冲控制门(13－5)、回波脉冲接收和放大电路(13－6)、移位寄存器(13－7)。
3.按权利要求1或2所述的显示器，其特征在于时基脉冲发生器(13－1)发出脉冲，经超声激励脉冲发生器(13－2)放大，去激励超声波换能器(1)，发射超声波；时基脉冲发生器(13－1)在触发的同时通过脉冲延时电路(13－3)打开移位节拍脉冲控制门(13－5)，通过移位节拍脉冲发生器(13－4)开始对移位寄存器(13－7)进行移位计数；反射波由超声波换能器(1)变成回波脉冲通过回波脉接收和放大电路(13－6)关闭移位节拍脉冲控制门(13－5)，则移位寄存器(13－7)停止计数，其状态送入光色控制电路(6)。
4.按权利要求1或2或3所述的显示器，其特征在于电子发光元件(4)采用双芯共阴极变色发光管，并在连通器(3)或(5)上、下端各设一个超声波换能器(1)及超声液位检测电路(13)，分别得到上、下液位界面的高度信号，送到光色控制电路(6)，组成三相分色显示器。
5.按权利要求1所述的显示器，其特征在于光色控制电路(6)从超声式液位检测电路(13)输入Iif、Ii信号，从液位报警信号发生器电路(12)输入L、R信号，控制电子发光元件(4)产生液位信号。
6.按权利要求1所述的显示器，其特征在于超声式液位检测器电路(13)还向液位报警信号发生电路(12)输出信号，控制报警信号的发生。
7.按权利要求1所述的显示器，其特征在于在电子发光元件(4)两侧设有反光镜(2)。
专利摘要一种光电式彩色液位显示器，其传感器及信号转换电路是超声波换能器和超声式液位检测器电路。信号经液位检测器电路输入光色控制电路，控制设在透明管连通器外侧的电子发光元件。发光元件两侧设有反光镜，液、汽或液、液界面十分清晰，色彩鲜艳纯正。不仅适用于化工、炼油企业及油品存储部门对液、汽(或液、液)两相折射率差别不大的导电液体或非导电液体的液位显示，尤其适用于观察液化石油气等易燃、易爆和剧毒、强腐蚀液体的液位。还可实现对同一容器中互不相溶的液、液、汽或液、液、液三相的分色显示。
文档编号G01F23/22GK2148948SQ9224344
公开日1993年12月8日 申请日期1992年12月11日 优先权日1992年12月11日
发明者孙关荣 申请人:中国石油化工总公司, 中国石油化工总公司洛阳石油化工工程公司