专利名称：一种利用超声波检测容器定点液位的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用超声波检测容器定点液位的方法。
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，非介入式检测方法，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方法，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装置安装麻烦、可靠性差而影响了该检测方法的推广应用。
图1是本发明所述方法的应用示意图。
图2是液位达到或高于控制点的余振及余振信号波形图。
图3是液位低于控制点的余振及余振信号波形图。
图4是本发明所用装置的一种实施例的示意框图。
图5是本发明所用装置的第二种实施例的示意框图。
图6是液位达到或高于控制点时余振信号包络波及比较器输出方波的波形图。
图7是液位低于控制点时余振信号包络波及比较器输出方波的波形图。
图8是液位达到或高于控制点时余振信号包络波的积分输出(上图)与比较器输出(下图)关系的示意图。
图9是液位低于控制点时余振信号包络波的积分输出(上图)与比较器输出(下图)关系的示意图。
由于传感器性能的老化、耦合剂的挥发、容器外壁钢板的腐蚀等因素都会随着时间而变化，进而影响余振信号衰减特征值和装置长期工作的可靠性，为了避免可能产生的误判，建议将一段时间内测量得到的特征值与历史标准特征值进行加权平均，以得到修正后的新标准特征值，即
KeNEW＝K2·Ke+K3·KeOLDTeNEW＝K2·Te+K3·TeOLDKfNEW＝K2·Kf+K3·KfOLDTfNEW＝K2·Tf+K3·KfOLD其中Te、Ke为近期测得的空罐时相应特征值，Kf、Tf为近期测得的满罐时相应特征值，K2、K3为加权系数，K2＝0.05～0.10，K3＝0.90～0.95，KeOLD、TeOLD、KfOLD为相应历史标准特征值。
将实际测得的余振信号持续时间以及衰减速度与预先整定好的新特征值进行比较，即通过对参量的自动跟踪修正，排除因老化、挥发和腐蚀等因素对特征值的影响。本发明所应用的装置(见图1、图4和图5)可包括超声波传感器1、发射电路2、接收放大电路3、检波电路4、积分器4′(仅实施例一有)、电平比较电路5、单片机电路6、存储器7、报警指示电路8以及远程通信电路9等部分。由于各部分本身属现有技术中的较典型的电路，故对各电路本身不作进一步赘述。各部分的功能如下发射电路2的作用是在单片机电路6的控制下，产生高频脉冲信号，激励超声波传感器1。超声波传感器1的作用是在发射电压的激励下产生高频脉冲超声波并耦合到容器的外壁上，与此同时，传感器1还将接收容器外壁钢板中的超声波余振信号转换成电信号并馈入接收放大器电路3。
放大电路3的作用是将微弱的余振信号放大，以提高测时范围，从而提高测时的可靠性。
检波电路4的作用是将放大后的余振信号整定成单极性信号，并滤除高频分量，从而得到余振信号的正半边包络波(见图6、图7，二图从上至下分别表示检波输出、比较器1输出和比较器2输出)。
比较电路5的作用是根据事先设置好的比较电平将包络信号整成两个方波信号(见图6、图7)，方波V1的宽度为T1，对应于余振信号衰减为饱和幅度的90％的时间。方波V2的宽度为T2，对应于余振信号衰减为饱和幅度的10％的时间，并由单片机测量出T1和T2的大小。
单片机6作为智能部件，其作用是1.控制定时进行超声波的的发射；2.测量余振信号的衰减时间T1和T2并计算出T＝(T1+T2)/2，K＝(T2-T1)/T，由此对容器的液位进行判断。当T≥Te，且K≥Ke时，可判定此液位低于控制点；反之，若T≤Tf且K≤Kf时，则可判定液位11达到或超过控制点，其中，Te、Ke为液位低于控制点时衰减时间的特征值，Tf、Kf则为液位11达到或高于控制点时衰减时间的特征值。其它情况下，则保持当前的指示与报警状态不变。3.控制报警指示电路8和继电器输出信号；4.远程通信管理，以便及时将设备的工况信息传给系统控制中心；5.进行实测对象余振信号特征值的自动整定和自适应跟踪，并及时将系统新的特征值保存到存储器7中，作为后面检测判断的依据。
存储器7的作用是存放不同工况(有液位和无液位)下的余振信号衰减时间的标准特征值。
积分器4′(见图4，仅实施例一有)的作用是对余振信号的包络波进行积分，各种工况下积分器4′的输出与包络波的关系可参见图6～图9，积分器4′的输出送给比较器，并与事先整定好的特征值进行比较，以确定液位是否达到控制点。图4所示其余各部分的作用与图5(实施例二)相同。
权利要求
1.一种利用超声波检测容器定点液位的方法，其特征是1.1利用耦合在容器外壁的超声波传感器经容器壁向容器内发射高频脉冲超声波；1.2用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振能量，即测出余振能量的变化；1.3将实际测得的余振能量的信号以及衰减特征与预先整定好的余振能量信号特征值进行比较，以确定容器内液位是否达到控制点；1.3.1当测得余振能量信号持续时间短，余振能量信号衰减快，即液位达到或超过测量控制点；1.3.2当测得余振能量信号持续时间长，余振能量信号衰减慢，即液位低于测量控制点；1.4根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是2.1用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振信号持续时间的长短；2.2将实际测得的余振信号持续时间以及衰减速度与预先整定好的标准特征值进行比较，以确定容器内液位是否达到控制点；2.2.1当测得余振持续时间短，余振信号衰减快，T≤Tf，K≤Kf，即液位达到或超过测量控制点；2.2.2当测得余振持续时间长，余振信号衰减慢，T≥Te，K≥Ke，即液位低于测量控制点；
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是按以下步骤整定各该容器的标准特征值3.1多次测量容器满罐时的特征值Tfi和Kfi以及空罐时的特征值Tei和Kei，其中，Tfi、Kfi为液位达到或高于控制点时的衰减时间特征值；Tei、Kei为液位低于控制点时的衰减时间特征值，i＝1，2，…，n；3.2按下式取平均值并作为标准特征值Tf＝K0(∑Tfi)/nKf＝K0(∑Kfi)/nTe＝K1(∑Tei)/nKe＝K1(∑Kei)/nn≤100，K0＝1.10～1.30，K1＝0.75～0.95。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是4.1将一段时间内测量得到的特征值与历史标准特征值进行加权平均，以得到修正后的新标准特征值，即KeNEW＝K2·Ke+K3·KeOLDTeNEW＝K2·Te+K3·TeOLDKfNEW＝K2·Kf+K3·KfOLDTfNEW＝K2·Tf+K3·KfOLD其中Te、Ke为近期测得的空罐时相应特征值，Kf、Tf为近期测得的满罐时相应特征值，K2、K3为加权系数，K2＝0.05-0.10，K3＝0.90-0.95，KeOLD、TeOLD、KfOLD为相应历史标准特征值。4.2以修正后的新特征值取代历史特征值，以排除因老化、挥发和腐蚀等因素对特征值的影响。
全文摘要
一种利用超声波检测容器定点液位的方法,其特征是:1.1利用耦合在容器外壁的超声波传感器经容器壁向容器内发射高频脉冲超声波;1.2用超声波传感器检测容器壁中的超声波余振能量,即测出余振能量的变化;1.3将实际测得的余振能量的信号以及衰减特征与预先整定好的余振能量信号特征值进行比较,以确定容器内液位是否达到控制点;1.3.1当测得余振能量信号持续时间短,余振能量信号衰减快,即液位达到或超过测量控制点;1.3.2当测得余振能量信号持续时间长,余振能量信号衰减慢,即液位低于测量控制点;1.4根据实测结果向相关设备或操控人员发出指令或报警。
文档编号G01F23/296GK1348091SQ0113368
公开日2002年5月8日 申请日期2001年11月19日 优先权日2001年11月19日
发明者马志敏 申请人:武汉大学