專利名稱：外掛式液位報警儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液位報警裝置，尤其是涉及一種外掛式液位報警儀。
背景技術：
各類容器、儲罐的液位測量與報警在工業(yè)生產(chǎn)(特別是石油化工、醫(yī)藥、食品等工 業(yè)領域)及廣大人民群眾生產(chǎn)生活中發(fā)揮著十分重要的作用，它關系到生產(chǎn)安全、工業(yè)控 制等問題。隨著科學技術的不斷發(fā)展，各種液位測量與報警技術蓬勃發(fā)展，功能不斷完善。
當前，國內(nèi)外料位、液位測量方法總體上可分為接觸式和非接觸式兩種。常用的接 觸式精確測量方法有電容式液位測量和磁致伸縮式測量兩種。但是接觸式測量由于需要與 液體接觸，因此在應用中受到一些限制，如申請?zhí)枮?00610054210.4的中國發(fā)明專利申請 公開了一種新型液位測量裝置，由測量電路、絕緣支架及其上安裝的金屬制作的平行上、下 板組成，通過測量上、下板間電容參數(shù)變化進行液位測量，但該裝置的絕緣支架及測量上、 下板均需安裝于儲罐內(nèi)，與液體接觸，因此帶來安裝和使用上的不便。 非接觸式測量主要有超聲波液位測量和雷達測量。其中超聲液位測量由于其具有 價格低廉、性能可靠等優(yōu)點而得到廣泛應用，但超聲液位測量需要保證超聲信號持續(xù)發(fā)射 和回波信號的正確接收，造成耗電、儀器安裝等方面的限制。同時，目前所采用的液位測量 方法的另外一個不便之處是需在容器、儲罐內(nèi)進行測量裝置的預先安裝，因此常常需要在 容器、儲罐內(nèi)部開孔，這既增加了需在各類容器、儲罐內(nèi)進行安裝所需的成本，又不利于進 行液位測量裝置的維護保養(yǎng)。 申請?zhí)枮?00410062355. X的中國專利申請公開一種聲波液位測量裝置及其方
法，該裝置包括導波管、信號處理控制芯片、聲波發(fā)生單元、聲波接收單元和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)
換器，系統(tǒng)根據(jù)接收到的導波管中最小振幅的聲波所對應的頻率獲得駐波的頻率，并根據(jù)
聲波在空氣中的傳播速度、駐波的頻率和公式計算出導波管內(nèi)液位。系統(tǒng)需在儲罐內(nèi)安
裝導波管、聲波發(fā)生單元和聲波接收單元，同時需與儲罐外的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、信號處
理控制芯片等進行連接。申請?zhí)枮?9121846. 9的中國發(fā)明專利申請公開一種傳波桿接
觸式超聲脈沖回波液位測量方法，主要由超聲波發(fā)射、接收器和固體傳播桿構(gòu)成的液位測
量裝置，由于利用傳播桿傳播超聲波可消除液面波浪影響，可提高液位測量精度，但該裝
置同樣需要把超聲波發(fā)射、接收器和固體傳播桿安裝于儲罐之中。本申請人在申請?zhí)枮?br> 200810070715. 9的發(fā)明專利申請中提供一種儲液罐聲學液位報警器，利用測量液體加注時
激發(fā)的儲罐腔體內(nèi)共振頻率進行液位測量，無需主動發(fā)射信號，結(jié)構(gòu)簡單，但該方法也需要
在儲罐內(nèi)安裝一個麥克風用于接收信號，同樣帶來了安裝、維護上的不便。 如果液位報警裝置可以安裝于儲罐外部，將大大提高系統(tǒng)安裝、維護的方便程度。
申請?zhí)枮?00710188461.6的中國發(fā)明專利申請公開一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝
置，該裝置設計了一種外貼于被測儲罐，對儲罐無需開孔，結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修的外置式超
聲波液位監(jiān)控報警裝置，該裝置基于以下思路利用借助吸盤吸附于儲罐外同一水平線的
超聲波收發(fā)探頭，根據(jù)接收超聲波信號幅度的強弱來判斷儲罐內(nèi)液位是否達到預設報警液位，當超聲波接收探頭所在位置有液體時，會接收到相對弱的信號。但該裝置的缺點在于 一套裝置只能用于一個預設液位的報警，無法利用一套裝置同時實現(xiàn)對多個不同嚴重程度 的液位報警。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的液位報警裝置只能用于一個預設液位的報警等缺 點，提供一種基于聲頻換能器，無需預先進行安裝，可直接方便地吸附于容器或儲罐頂部， 儲罐無需開孔，不需與容器內(nèi)液體直接接觸，使用方便，可以進行液位的連續(xù)測量或進行多 個預設液位的報警，具有可抗背景噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低的外掛式液位報警儀。
本發(fā)明設有聲頻換能器、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、報警電路和 吸附裝置。聲頻換能器和麥克風設在吸附裝置上，聲頻換能器的輸入端接D/A轉(zhuǎn)換器的輸 出端，D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端接微處理器的輸出端口 ，麥克風的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換器的輸入 端，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端接微處理器的輸入端口 ，微處理器的輸出端口接報警電路。
所述報警電路可采用聲音或/和光電報警電路。 吸附裝置用于聲頻換能器與容器或儲罐頂板保持良好接觸，實現(xiàn)無需預先安裝即 可進行外掛式測量的目的。所述吸附裝置可設有套筒、左支撐桿、右支撐桿、左吸盤、右吸盤 和麥克風固定架，左支撐桿的一端固設在套筒上，左支撐桿另一端固定在左吸盤頂部，右支 撐桿的一端固設在套筒上，右支撐桿另一端固定在右吸盤頂部，左吸盤和右吸盤吸附于容 器或儲罐頂板。 聲頻換能器最好固定在套筒底部，使聲頻換能器的輻射面與容器或儲罐頂板良好 接觸。麥克風最好固定在左支撐桿或右支撐桿上。 所述麥克風最好由麥克風固定架固定在左支撐桿或右支撐桿上，以方便采集振動 聲信號；所述麥克風最好采用駐極體麥克風。能夠?qū)⑤斎氲碾娏髅}沖轉(zhuǎn)化為機械聲波。
所述聲頻換能器可采用稀土大磁致伸縮材料聲頻換能器(簡稱G匪聲頻換能器)， 其頻響范圍為220 12000Hz，磁致伸縮換能器的工作原理為在大磁致伸縮棒周圍繞以感 應線圈，感應線圈在電流脈沖作用下產(chǎn)生交變磁場，大磁致伸縮棒在交變磁作用下產(chǎn)生長 度的變化，當線圈中所通交變電流以一定的規(guī)律變化時，大磁致伸縮棒的長度也隨之滿足 一定規(guī)律變化。通過對聲頻換能器的信號輸入控制，就可以控制伸縮棒振動的頻率以及幅 度。 G匪聲頻換能器的磁致伸縮前端連接輻射面，吸附裝置用于將G匪聲頻換能器吸 附于容器或儲罐頂板上，并保證聲頻換能器的輻射面與容器或儲罐頂板的良好接觸，以利 于在激勵電信號作用下?lián)Q能器輻射面對容器頂板進行激勵。 本發(fā)明采用的聲頻換能器的激勵信號為線性調(diào)頻信號。當聲頻換能器作用于容器 或儲罐頂板時，聲頻換能器的激勵信號將激發(fā)頂板的彎曲模式振動，彎曲振動發(fā)出的聲音 在容器或儲罐腔體內(nèi)多次反射，形成混響，此時麥克風采集到的聲信號是經(jīng)過容器或儲罐 空腔內(nèi)多次無規(guī)迭加之后形成的聲信號，由于線性調(diào)頻信號具有極高的時間分辨率，對接 收信號做拷貝相關后可得到反映混響過程的連續(xù)的相關峰群，小的容器或儲罐的腔體將對 應衰減較快的相關峰拖尾模式，反之則對應拖尾長的相關峰群。因此，借助接收信號的拷貝 相關曲線可以很好地檢測容器或儲罐內(nèi)空腔體大小，也可獲得液位信息。同時，由于相關運算具有很高的抗噪聲性能，因此本發(fā)明可工作于較強的背景噪聲條件下。 本發(fā)明進行外置式液位測量的原理是利用吸附于容器或儲罐頂部的聲頻換能器 以線性調(diào)頻信號對容器或儲罐頂板進行激勵，容器或儲罐頂板的彎曲模式振動被激勵并在 容器或儲罐腔體內(nèi)多次反射形成混響；報警儀通過麥克風采集激勵信號激發(fā)的聲信號并與 發(fā)射的線性調(diào)頻信號進行拷貝相關處理，經(jīng)過容器或儲罐腔體內(nèi)混響的振動信號拷貝相關 輸出將包含反映了混響程度的大量連續(xù)分布相關峰，相關峰分布的拖尾程度則可表征容器 或儲罐空腔的大小，也既得到了對應的液位信息。因此，本液位報警儀根據(jù)獲取的拷貝相關 曲線相關峰的衰減程度來判斷容器或儲罐內(nèi)的液位。 本發(fā)明的信號處理部分(包括D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器等)借助線性調(diào)頻信號的 尖銳相關特性，采用實現(xiàn)方便的拷貝相關處理進行聲信號的抗噪聲特征提取，檢測相關曲 線中相關峰的拖尾程度以反映腔體混響特性。微處理器產(chǎn)生的線形調(diào)頻信號送入D/A轉(zhuǎn)換 器用于驅(qū)動聲頻換能器激勵墻體，麥克風接收到的振動聲信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集后 進入微處理器進行拷貝相關處理(與線性調(diào)頻發(fā)射信號)，微處理器對相關曲線的相關峰 進行拖尾程度檢測，根據(jù)檢測結(jié)果判斷液位信息并根據(jù)預置報警液位通過蜂鳴器及LED燈 輸出報警結(jié)果。 顯然，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點 1)采用吸附式外掛檢測，無需開孔或預先在容器或儲罐內(nèi)安裝，使用方便、可靠。
2)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
3)具有很好的抗噪聲性能。 至今未見有有關與本發(fā)明相同或相似工作原理的外掛式液位報警儀。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)組成框圖。
圖2為本發(fā)明實施例的聲頻換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明實施例的吸附裝置與聲頻換能器和麥克風固定示意圖。 圖4為本發(fā)明實施例的音頻輸出和輸入接口的電路組成原理圖。 圖5為本發(fā)明實施例的LED及蜂鳴器報警的輸出接口電路原理圖。 圖6為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)軟件框圖。
具體實施例方式
參見圖l，本發(fā)明設有聲頻換能器1、D/A轉(zhuǎn)換器2、麥克風3、A/D轉(zhuǎn)換器4、微處理 器5、蜂鳴器報警電路6、 LED報警電路7和吸附裝置。聲頻換能器1和麥克風3設在吸附 裝置上，聲頻換能器1的輸入端接D/A轉(zhuǎn)換器2的輸出端，D/A轉(zhuǎn)換器2的輸入端接微處理 器5的輸出端口，麥克風3的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換器4的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器4的輸出端接微 處理器5的輸入端口，微處理器5的輸出端口分別接蜂鳴器報警電路6和LED報警電路7。 在圖1中，標記A為容器或儲罐。 參見圖2，本實施例使用的聲頻換能器為甘肅天星稀土功能材料有限公司生產(chǎn)的 B9稀土材料大磁致伸縮聲頻換能器，頻響范圍為220 12000Hz。該換能器可以把音頻信 號轉(zhuǎn)化為音頻機械振動激勵輸出給振動介質(zhì)。大磁致伸縮材料聲頻換能器的工作過程和普
5通的揚聲器不同。在大磁致伸縮聲頻換能器中，有一個固定的感應線圈ll和一個放在線圈 中的大磁致伸縮棒12，大磁致伸縮棒12的一端被固定，另一端被彈簧(在圖2中未畫出) 托住，被彈簧托住的這一端就是聲頻換能器的輻射面13。磁致伸縮換能器的工作原理為 在大磁致伸縮棒周圍繞以感應線圈，感應線圈在電流脈沖作用下產(chǎn)生交變磁場，大磁致伸 縮棒在交變磁作用下產(chǎn)生長度的變化，當感應線圈中所通交變電流以一定的規(guī)律變化時， 大磁致伸縮棒的長度也隨之滿足一定規(guī)律變化。通過對聲頻換能器的信號輸入控制，就可 以控制伸縮棒振動的頻率以及幅度。 圖3給出本發(fā)明實施例的吸附裝置與聲頻換能器和麥克風固定示意圖，吸附裝置 用于聲頻換能器1與容器或儲罐頂板A保持良好接觸，實現(xiàn)無需預先安裝即可進行外掛式 測量的目的。所述吸附裝置設有套筒81、左支撐桿821、右支撐桿822、左吸盤831、右吸盤 832和麥克風固定架81，左支撐桿821的一端固設在套筒81上，左支撐桿821另一端固定 在左吸盤831頂部，右支撐桿822的一端固設在套筒81上，右支撐桿822另一端固定在右 吸盤832頂部，左吸盤831和右吸盤832吸附于容器或儲罐頂板A。 聲頻換能器1固定在套筒81底部，使聲頻換能器1的輻射面13與容器或儲罐頂
板A良好接觸。麥克風3由麥克風固定架81固定在右支撐桿822上，以方便采集振動聲信
號；所述麥克風3采用駐極體麥克風。能夠?qū)⑤斎氲碾娏髅}沖轉(zhuǎn)化為機械聲波。 麥克風采用SG0FM6022P-C型全向型振膜式駐極體麥克風，相關性能數(shù)據(jù)如下 指向性全向； 阻抗低阻； 電流消耗Max 500mA《0. 5mA ; 工作電壓1. 5 10V ; 靈敏度變化電壓變化1. 5V在3dB以內(nèi)； 信噪化^54dB。 麥克風在吸附裝置上的固定裝置如圖3所示。 本實施例的硬件平臺采用廣州友善之臂計算機有限公司生產(chǎn)的mini2440開發(fā) 板，該板采用Samsung S3C2440為微處理器，支持WindowsCE. net 5.0版本。該平臺核心板 包括S3C2440A微處理器、64M SDRAM、64M閃存以及實現(xiàn)音頻輸出輸入、10接口的擴展接口 。 開發(fā)板采用菲利普公司的UDA1341音頻編解碼芯片實現(xiàn)音頻信號輸出輸入，其中音頻輸出 接口接聲頻換能器信號輸入端用于輸出激勵信號、開發(fā)板音頻輸入接口接麥克風用于聲信 號前置處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換采集。 圖4給出本發(fā)明實施例的音頻輸出和輸入接口的電路組成原理圖。具體方法是 通過將UDA1341的I2S接口的4個腳(WS， BCK， DATAI， DATAO)與S3C2440的I2S總線腳 (IISLRCLK， IISCLK， IISDI， IISDO)直接相連，用來傳輸音頻數(shù)據(jù)流；將S3C2440的CDCLK時 鐘線與UDA1341的SYSCLK腳連接，用來為音頻碼流提供同步時鐘；將UDA1341的L3總線腳 (L3M0DE，L3CL0CK，L3DATA)與S3C2440的L3總線腳(L3M0DE，L3CL0CK，L3DATA)連接，通過 軟件就可寫入或讀出UDS1341芯片的控制或狀態(tài)信息。在圖4中，標記3為麥克風，1為聲 頻換能器。 圖5給出本發(fā)明實施例的LED及蜂鳴器報警的輸出接口電路原理圖。S3C2440處 理器的GPIO 口直接與LED燈、蜂鳴器Y連接，用于液位報警輸出其中GPG3連接LED燈，
6GPG3在開發(fā)板上由C0N1.2(開發(fā)板C0N1接線口端口第2腳)引出；GPG5通過三極管Ql連 接蜂鳴器Y， GPG5在開發(fā)板上由C0N1. 3 (開發(fā)板C0N1接線口端口第3腳)引出。
圖6給出本發(fā)明實施例的系統(tǒng)軟件框圖。將本發(fā)明吸附于容器或儲罐頂板后可開 始進行液位檢測與報警。系統(tǒng)的工作過程為首先進行初始化，包括通過程序設定軟件循環(huán) 程序的循環(huán)周期T以用作儀器的液位檢測周期，同時生成發(fā)射用的線性調(diào)頻信號并存入數(shù) 組s(i)(采用的線性調(diào)頻信號頻率范圍為2 6kHz，脈沖寬度10ms，采樣率22. 05kHz)、設 置UDA1341音頻編解碼芯片音頻輸出、輸入?yún)?shù)(采樣率22. 05kHz，采樣位數(shù)16bit)。然后 程序開啟系統(tǒng)軟件循環(huán)定時程序并等待周期為T的循環(huán)程序軟件觸發(fā)信號進入檢測過程， 一旦定時時間T到達就進入檢測子程序開始液位檢測過程首先把線性調(diào)頻信號s(i)送入 開發(fā)板音頻發(fā)射端口用于輸出發(fā)射信號到聲頻換能器激勵液體容器或儲罐頂板，同時啟動 開發(fā)板音頻輸入口開始通過麥克風采集20ms信號，采集得到的信號存入數(shù)組r(i)后程序 進入信號處理部分，利用發(fā)射信號s(i)和r(i)進行相關運算，獲取相關曲線并進行包絡檢 出獲取其包絡曲線，歸一化處理后存入數(shù)組E(i); 在程序的識別部分，程序通過對相關曲線包絡數(shù)組E(i)進行最大值搜索獲取峰 值A。及峰值點時刻I。，獲取了峰值信息后程序統(tǒng)計峰值點時刻I。后包絡幅值下降到0. 5A。 的半衰特征點時刻Ih，計算半衰特征點時刻與峰值點時刻之間的時間間隔Ifl。得到反映 腔體大小信息的振動信號混響時間L，也即獲取了液位信息，程序利用L來檢測液位信息并 與預置的報警液位對應的U值進行比較如果L > U則判別液位低于報警液位，程序不輸 出報警信號，退出檢測子程序，等待下一次定時器中斷繼續(xù)檢測；如果L〈U則判別當前液 位已經(jīng)達到報警液位，程序通過端口 GPG3控制LED燈亮3s，通過端口 GPG5控制蜂鳴器響 3s，程序輸出報警信號后退出檢測子服務程序，等待下一次軟件循環(huán)軟中斷繼續(xù)檢測。
權(quán)利要求
外掛式液位報警儀，其特征在于設有聲頻換能器、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、報警電路和吸附裝置。聲頻換能器和麥克風設在吸附裝置上，聲頻換能器的輸入端接D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端，D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端接微處理器的輸出端口，麥克風的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端接微處理器的輸入端口，微處理器的輸出端口接報警電路。
2. 如權(quán)利要求1所述的外掛式液位報警儀，其特征在于所述吸附裝置設有套筒、左支 撐桿、右支撐桿、左吸盤、右吸盤和麥克風固定架，左支撐桿的一端固設在套筒上，左支撐桿 另一端固定在左吸盤頂部，右支撐桿的一端固設在套筒上，右支撐桿另一端固定在右吸盤 頂部，左吸盤和右吸盤吸附于容器或儲罐頂板。
3. 如權(quán)利要求2所述的外掛式液位報警儀，其特征在于所述套筒的底部固定聲頻換能器。
4. 如權(quán)利要求2所述的外掛式液位報警儀，其特征在于在左支撐桿或右支撐桿上固定 麥克風。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的外掛式液位報警儀，其特征在于所述麥克風采用駐極體麥 克風。
6.如權(quán)利要求1所述的外掛式液位報警儀，其特征在于所述聲頻換能器采用稀土大磁 致伸縮材料聲頻換能器。
7. 如權(quán)利要求1所述的外掛式液位報警儀，其特征在于所述報警電路為聲音或光電報 警電路。
8. 如權(quán)利要求1所述的外掛式液位報警儀，其特征在于所述報警電路為聲音和光電報 警電路。
全文摘要
外掛式液位報警儀，涉及一種液位報警裝置。提供一種基于聲頻換能器，無需預先進行安裝，可直接方便地吸附于容器或儲罐頂部，儲罐無需開孔，不需與容器內(nèi)液體直接接觸，使用方便，可以進行液位的連續(xù)測量或進行多個預設液位的報警，具有可抗背景噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低的外掛式液位報警儀。設有聲頻換能器、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、報警電路和吸附裝置。聲頻換能器和麥克風設在吸附裝置上，聲頻換能器的輸入端接D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端，D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端接微處理器的輸出端口，麥克風的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端接微處理器的輸入端口，微處理器的輸出端口接報警電路。
文檔編號G01F23/296GK101762305SQ20091011312
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者王德詳, 童峰, 許肖梅, 陳楷 申請人:廈門大學