專利名稱：一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置的制作方法
一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置
技術(shù)領(lǐng)城
本發(fā)明涉及對儲罐中液體的液位進(jìn)行非接觸監(jiān)控報警，是一種外置式超 聲波液位監(jiān)控報警裝置。
背景技術(shù)：
在醫(yī)藥、石油、化工、電力、食品等行業(yè)的液位工程控制中，必須對儲 罐內(nèi)的液位進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)儲罐內(nèi)的液位到達(dá)上限位或下限位時，液位報警設(shè)
備需對此給出警示。R前所普遍應(yīng)用的插入式報警裝置，在安裝時必須對罐 體進(jìn)行開孔焊接，對于含有爆炸性、毒性、腐蝕性、高壓性的液體或氣體裝 置中，此安裝方式容易造成泄露危險，存在嚴(yán)重的安全隱患，在這些領(lǐng)域無 法普及應(yīng)用。超聲波液位監(jiān)控報警裝置針對插入式所帶來的問題而給予了很 好的解決，不會因為安裝而對儲罐表面結(jié)構(gòu)造成任何破壞，在這些特殊領(lǐng)域 具有很好的市場發(fā)展前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述應(yīng)用缺陷，設(shè)計出了測量精度高、穩(wěn)定性好、 方便安裝和維護(hù)的一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的在液體儲罐外壁 上置有超聲波液位監(jiān)控報警裝置，其特殊之處在于所述液位監(jiān)控報警裝置包 括一個殼體，殼體連接超聲發(fā)射探頭，超聲接收探頭置于在液體儲罐外壁與 超聲發(fā)射探頭同一水平線上，超聲接收探頭通過引線連接到殼體一側(cè)內(nèi)，并 最終弓I至數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端，其超聲發(fā)射探頭和超聲接收探頭安裝在由 永久磁鐵構(gòu)成的吸盤內(nèi)，吸盤將超聲發(fā)射探頭和超聲接收探頭吸附在液體儲
罐外壁上，殼體內(nèi)置有數(shù)據(jù)處理模塊，超聲發(fā)射探頭與數(shù)據(jù)處理模塊的信號 輸出端口相連，超聲接收探頭信號與接收信號限幅保護(hù)器連接，接收信號限 幅保護(hù)器與接收信號放大器連接，接收信號放大器與接收信號檢波器連接， 接收信號檢波器與信號處理器連接，信號處理器的信號輸出端口通過發(fā)射信 號功放驅(qū)動器與超聲發(fā)射探頭相連，信號處理器的報警信號輸出端口與報警 設(shè)備控制器相連，殼體另一側(cè)連接電源及輸出信號，輸出信號可以連接到聲 光報警裝置的控制端，也可以作為開關(guān)量連接到被控設(shè)備。
所述超聲探頭的頻率范圍為20K-500KHz，發(fā)射信號功放驅(qū)動器(11)輸 送給超聲探頭(3)的電信號的電壓幅度為20-300V的短時脈沖，持續(xù)時間為 0.01-3毫秒，脈沖信號重復(fù)周期為0.5-5秒。
所述超聲探頭是由換能器與其腔體連接構(gòu)成復(fù)合棒形結(jié)構(gòu)。 所述外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置采用收發(fā)分開的兩個超聲波探頭。 本發(fā)明外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，安裝時不穿孔、 不動火、不損傷罐體，可不停產(chǎn)安裝，安裝和工作時對罐內(nèi)液體不產(chǎn)生干擾、 無泄漏、無污染、無腐蝕。該裝置具有結(jié)構(gòu)筒單、安裝維修方便、適用范圍 廣、可靠性強(qiáng)、安全性好、功率小、檢測精度高、聲光報警，使用方便及遠(yuǎn) 程控制等特點，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、石油、化工、電力、食品等行業(yè)的液位 工程控制。


圖1為本液位控制器的使用狀態(tài)圖； 圖2為本液位控制器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖2控制器A—A剖視圖； 圖4為液位控制器電路方框圖； 圖5-l、 5-2、 5-3、 5-4、 5-5為圖4的控制器電路原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明
參照圖l、圖2、圖3、圖4所示， 一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置。 在液體儲罐5外壁上置有超聲波液位監(jiān)控報警裝置，其所述液位監(jiān)控報警裝 置包括一個殼體6，其內(nèi)部置放有數(shù)據(jù)處理模塊l,數(shù)據(jù)處理模塊l的超聲波 輸出端口通過殼體6連接超聲發(fā)射探頭2，超聲波接收探頭3置于在液體儲罐 5外壁與超聲發(fā)射探頭2同一水平線上，超聲波接收探頭3通過引線7連接到 殼體6 —側(cè)內(nèi)并最終引至數(shù)據(jù)處理模塊1的輸入端口，其超聲發(fā)射探頭2和 超聲波接收探頭3安裝在由永久磁鐵構(gòu)成的吸盤4內(nèi)，吸盤4將超聲發(fā)射探 頭2和超聲接收探頭3吸附在液體儲罐5外壁上，超聲接收探頭3信號與接 收信號限幅保護(hù)器12連接，接收信號限幅保護(hù)器12與接收信號放大器13連 接，接收信號放大器13與接收信號檢波器14連接，接收信號檢波器14與信 號處理器10連接，信號處理器10的信號輸出端口通過發(fā)射信號功放驅(qū)動器 11與超聲發(fā)射探頭2相連，信號處理器10的報警信號輸出端口與報警設(shè)備控 制器15相連，殼體6另一側(cè)連接電源及輸出信號，輸出信號可以連接到機(jī)算 機(jī)上存儲數(shù)據(jù)。
圖5 —1、 5—2、 5 — 3、 5 — 4、 5 —5為圖4的控制器電路原理圖，與原理 框圖相對應(yīng)，圖4所示10為信號處理器單元，11為發(fā)射信號功放驅(qū)動單元， 12為接收信號限幅保護(hù)單元，13為接收信號放大單元，14為接收信號檢波單 元，15為報警設(shè)備控制單元。信號處理器10中的Ul的第3腳并聯(lián)有電容C7、 C8，電容C7、 C8另一端與AGND連接，第12腳并聯(lián)電阻Rq、電容Co，電阻 Ro另一端接VDD，電容C。另一端接地，Ul為C8051F007，用于對發(fā)射信號、 報警信號的控制及對接收信號的采樣、處理。信號處理器10通過輸出端口 PO.l、 P0.2與發(fā)射信號功放驅(qū)動器11相連，輸出端口 P0.1—端連接在Q2上， 輸出端口 P0.2 —端連接在Q3上，Q2另一端與二極管D3和變壓器一次側(cè)的第 l腳連接，Q3另一端與二極管D4和變壓器一次側(cè)的第4腳連接，二極管D3、
D4反向串并聯(lián)連接在變壓器一次側(cè)的第1、4腳的兩端，變壓器一次側(cè)的第2、 3腳連接一個晶體振蕩器C13，晶體振蕩器C13另一端接地，變壓器二次側(cè)的 第5、 6腳連接到發(fā)射探頭2，產(chǎn)生超聲波信號。超聲接收探頭3接收超聲波 信號，同時與接收信號限幅保護(hù)單元12相連，接收信號限幅保護(hù)單元12串 聯(lián)連接反向二極管D5、 D6，反向二極管D5、 D6另一端接地，該單元主要利 用二極管D5、 D6特性對接收信號進(jìn)行限幅、保護(hù)。接收信號限幅保護(hù)單元 12再與接收信號放大單元13相連，接收信號放大單元13 —端依次串聯(lián)連接 電容C14、電阻R17，電阻R17另一端分別與電阻R170 —端、運(yùn)算放大器U5A 第2腳連接，運(yùn)算放大器U5A第8腳旁路串聯(lián)連接一個電容C15，電容C15 另一端接地，電阻R18分別與電阻R19—端、運(yùn)算放大器U5A第3腳連接， 電阻R19、運(yùn)算放大器U5A第4腳接地，該單元通過運(yùn)算放大器U5A對接收 來的信號進(jìn)行放大。接收信號放大單元13再與接收信號檢波單元14，運(yùn)算放 大器U5A的第1腳與接收信號檢波單元14中的二極第管D7連接，二極第管 D7的另一端依次分別與電阻R20、電容C16、運(yùn)算放大器U5B的5腳連接， 電阻R20、電容C16、運(yùn)算放大器U5B的4腳、二極第管D8與地連接，運(yùn)算 放大器U5B的8腳接電源，6、 7腳短接，第7腳與二極第管D8、 D9的一端 連接，對放大后的信號進(jìn)行檢波處理，提取接收信號的包絡(luò)信息。接收信號 檢波單元14將該信息送到信號處理器10的AD轉(zhuǎn)化器中，信號處理器10對 其進(jìn)行采樣、處理，根據(jù)處理結(jié)果判斷控制器所處位置到底有無液體存在。 最后，信號處理器10通過輸端口 P0.3、 P0.4、 NP0.4控制報警設(shè)備控制器15， 控制報警設(shè)備控制器15的芯片U4的第1腳上串聯(lián)連接一個電阻R21，第2 腳接地，3、 4腳輸出開關(guān)信號，發(fā)光二極管L3的第2腳節(jié)點兩側(cè)各連接一個 電阻Rll、 R12， RVG的第l腳連接一個電阻Rll，電阻R11端口NP0.4連接， RVG的第3腳連接一個電阻R12，電阻R12輸出端口P0.4連接，給出聲光報
警及進(jìn)行繼電操控。 其工作方式為數(shù)據(jù)處理模塊中的CPU給出一個激勵脈沖，經(jīng)過功放電 路放大后，加到超聲發(fā)射探頭上發(fā)射超聲波信號。超聲信號在罐壁及罐內(nèi)液 體分界面發(fā)生反射，同時沿著整個罐體及在介質(zhì)中傳播。超聲接收探頭接收 該信號，送到變送器經(jīng)限幅保護(hù)、信號放大、包絡(luò)檢波處理后，再經(jīng)過變送 器中CPU采集處理進(jìn)行比對，根據(jù)信號的強(qiáng)弱判斷出儲罐液體液位是否達(dá)到
報警線，并由變送器中的CPU將報警信號送到控制器，最后由控制器驅(qū)動聲
光報警及進(jìn)行繼電操控。其比對原理是超聲發(fā)射與接收探頭處于同一水平 線上。當(dāng)超聲接收探頭所在位置有液體時，超聲接收探頭會接收到來自發(fā)射 探頭一個相對較弱的信號；當(dāng)超聲接收探頭所在位置沒有液體時，超聲接收 探頭會接收到一個來自發(fā)射探頭相對較強(qiáng)的信號；當(dāng)然兩種信號需要事先預(yù) 存到CPU中作為比對標(biāo)準(zhǔn)。
超聲探頭是復(fù)合棒形換能器，超聲發(fā)射探頭2連接殼體6，該探頭前端連 接吸盤，吸盤鑲有磁鐵，超聲發(fā)射探頭2位于殼體前端，與之相連的數(shù)據(jù)處 理模塊1位于其后部空腔內(nèi)，超聲接收探頭3將其接收到的信號送入數(shù)據(jù)處 理模塊1中。安裝時超聲探頭利用吸盤4上的磁鐵直接吸附在儲罐5表面報 警液面處，并用硅酯或凡士林作為探頭表面與罐壁之間的耦合劑，分別記錄 報警液面處有液體和沒有液體兩種狀態(tài)下的信號值進(jìn)行探頭標(biāo)定，探頭標(biāo)定 完畢后進(jìn)入"工作"狀態(tài)，數(shù)據(jù)處理模塊1會根據(jù)實際的液位狀態(tài)進(jìn)行判斷。 當(dāng)然，安裝時必須使發(fā)射探頭和接收探頭處于同一水平線上，要將預(yù)定檢測 位置用鋼絲刷、砂紙、銼刀等工具打磨清理出一個直徑約150mm的平面，要 求應(yīng)盡可能平滑(用手觸摸無較明顯的凸凹不平和毛刺)。再用丙酮(或用其 它方法)進(jìn)行脫脂、凈化處理，以保證該安裝接合平面無污垢、油漆、灰塵、 顆粒物等。
超聲發(fā)射探頭2的頻率范圍為20K-500KHz，發(fā)射信號功放驅(qū)動器輸送 給超聲探頭的電信號為電壓幅度為20-300V的短時脈沖，持續(xù)時間為0.01-3
毫秒，脈沖信號重復(fù)周期為0.5-5秒。其適用范圍廣，對被測液體介質(zhì)、容器 材料及容器壓力沒有特殊要求。
數(shù)據(jù)處理模塊1由信號處理器10、發(fā)射信號功放驅(qū)動器11、接收信號
限幅保護(hù)器12、接收信號放大器13、接收信號檢波器14和報警設(shè)備控制器 15組成。信號處理器10信號處理器的信號輸出端口通過發(fā)射信號功放驅(qū)動 器11與超聲發(fā)射探頭2相連，信號處理器10的信號接收端口通過接收信號 檢波器14、接收信號放大器13、接收信號限幅保護(hù)器12與超聲接收探頭3 相連，信號處理器10的報警信號輸出端口與報警設(shè)備控制器15相連。超聲 探頭的輻射面緊貼在罐壁外表面，用超聲發(fā)射探頭2發(fā)射，超聲接收探頭3 接收。數(shù)據(jù)處理模塊l中的信號處理器IO給出一個激勵脈沖，經(jīng)過功率放大 后，加到超聲發(fā)射探頭2上，超聲探頭2發(fā)出超聲信號，此信號會在儲罐表 面和介質(zhì)內(nèi)傳播并發(fā)生發(fā)射，經(jīng)過超聲接收探頭3接收后變成電信號加到數(shù) 據(jù)處理模塊l中的信號輸入端口，該接收信號經(jīng)過接收信號限幅保護(hù)器12進(jìn) 行限幅保護(hù)后，經(jīng)過接收信號放大器13進(jìn)行放大，再對其進(jìn)行檢波處理后， 送到數(shù)據(jù)處理模塊1中的信號處理器10 (CPU)進(jìn)行采樣處理，然后根據(jù)回 波信號的強(qiáng)弱判斷出儲罐5的液位是否達(dá)到報警線，當(dāng)達(dá)到報警線時，由數(shù) 據(jù)處理模塊1中的CPU向報警設(shè)備控制器15輸出報警信號，最后由報警設(shè) 備控制器15驅(qū)動聲光報警及進(jìn)行繼電操控。該裝置可根據(jù)用戶的要求及使用 場所的不同，可以做成防爆型，也可以做成普通型，所說防爆型裝置必須符 合國家對防爆產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)定。
權(quán)利要求
1、一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置，可置放在液體儲罐(5)的外壁上，其特征在于所述液位監(jiān)控報警裝置包括一個殼體(6)，其內(nèi)部置放數(shù)據(jù)處理模塊(1)，通過殼體(6)連接到超聲發(fā)射探頭(2)，超聲接收探頭(3)置放在液體儲罐(5)外壁表面且與超聲發(fā)射探頭(2)均處于同一水平線上，超聲接收探頭(3)通過引線(7)連接到殼體(6)一側(cè)，再最終連接至其內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊(1)的信號輸入端口；殼體(6)另一側(cè)連接電源及輸出開關(guān)信號，安裝方式為超聲發(fā)射探頭(2)和超聲接收探頭(3)安裝在由永久磁鐵構(gòu)成的吸盤(4)內(nèi)，吸盤(4)將超聲發(fā)射探頭(2)和超聲接收探頭(3)吸附在液體儲罐(5)外壁上，若儲罐(5)不具有鐵磁性質(zhì)，首先將吸盤(4)通過膠粘接固定在其表面，隨后可將探頭吸附在儲罐(5)外壁面，上述所說數(shù)據(jù)處理模塊(1)包括由信號處理器(10)，發(fā)射信號功放驅(qū)動器(11)，接收信號限幅保護(hù)器(12)，接收信號放大器(13)，接收信號檢波器(14)，報警設(shè)備控制器(15)六大部分組成，數(shù)據(jù)處理模塊(1)的處理邏輯如下超聲發(fā)射探頭(2)與數(shù)據(jù)處理模塊(1)中的發(fā)射信號功放驅(qū)動器(11)輸出端口相連，超聲接收探頭(3)與接收信號限幅保護(hù)器(12)連接，接收信號限幅保護(hù)器(12)與接收信號放大器(13)連接，接收信號放大器(13)與接收信號檢波器(14)連接，接收信號檢波器(14)與信號處理器(10)連接，信號處理器(10)的信號輸出口連接發(fā)射信號功放驅(qū)動器(11)，信號處理器(10)的報警信號輸出端口與報警設(shè)備控制器(15)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置，其特征在 于所述超聲探頭的頻率范圍為20K-500KHz，發(fā)射信號功放驅(qū)動器(11)輸送 給超聲探頭(3)的電信號的電壓幅度為20-300V的短時脈沖，持續(xù)時間為 0.01-3毫秒，脈沖信號重復(fù)周期為0.5-5秒。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置，其特 征在于所述超聲探頭是由換能器與其腔體連接構(gòu)成復(fù)合棒形結(jié)構(gòu)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述一種外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置，其特征在 于采用收發(fā)分開的兩個超聲波探頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置。包括超聲接收探頭，超聲發(fā)射探頭和與之相連的數(shù)據(jù)處理模塊。超聲探頭與吸盤相連，吸盤與儲罐壁相連，與數(shù)據(jù)處理模塊的功放驅(qū)動器輸出端相連；接收探頭為接收超聲波的超聲換能器，與數(shù)據(jù)處理模塊中的限幅保護(hù)器相連，隨后與接收放大器、接收檢波器連接；信號處理器輸出端口通過功放驅(qū)動器連接超聲發(fā)射探頭，信號處理器報警信號輸出端口連接報警設(shè)備控制器進(jìn)行聲光報警，或需要開關(guān)量的被控設(shè)備。外置式超聲波液位監(jiān)控報警裝置外貼于被測儲罐，對儲罐無需開孔，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便、可靠性強(qiáng)、安全性好、功率小、檢測精度高的特點。可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、石油、化工、電力、食品行業(yè)的液位控制。
文檔編號G05D9/00GK101169662SQ20071018846
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者支高飛, 斌 李 申請人:西安華舜測量設(shè)備有限責(zé)任公司