專利名稱：壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及超聲波檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲波液位儀。
目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)液介式超聲波液位檢測(cè)技術(shù)，主要應(yīng)用于河道水深探測(cè)和一些敝開(kāi)式容器液位的測(cè)量，其主要特點(diǎn)是傳感器直接接觸被測(cè)液體介質(zhì)。對(duì)于密封容器和有壓容器內(nèi)部液位的測(cè)量，目前尚無(wú)一種實(shí)用的，能從容器外壁直接檢測(cè)出容器內(nèi)部液位的超聲波液位儀。有關(guān)密封容器內(nèi)部液位的測(cè)量，現(xiàn)在主要依賴于壓力式和浮子式兩種檢測(cè)儀表，二者的共同特點(diǎn)是須將傳感器置于容器的內(nèi)部，這樣就破壞了容器的密封性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)傳感器易污染，易腐蝕，可靠性差，安裝維護(hù)不方便。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)從容器的外壁直接檢測(cè)出容器內(nèi)部的液位，特別是解決密封容器，有壓容器，易燃易爆液體容器、腐蝕性液體容器內(nèi)部液位的非接觸測(cè)量，從而提高該類容器液位檢測(cè)的安全性、方便性、可靠性和精確性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的原理是利用超聲波的穿透性和反射特性，通過(guò)安裝在容器底部外壁或旁通管底部外壁的超聲波換能器，垂直向上發(fā)射一束脈沖超聲波，聲波穿透容器外壁，進(jìn)入液體向液面?zhèn)鞑ィ儆梢好娣瓷浠貋?lái)，穿透容器的外壁，為超聲波換能器接收，通過(guò)測(cè)量出超聲波在液體介質(zhì)中來(lái)回傳輸?shù)臅r(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出液位的高度。
本壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置，包括一個(gè)安裝在容器底部外壁或旁通管底部外壁的超聲波換能器，一個(gè)在容器內(nèi)部或旁通管內(nèi)部靠近超聲波換能器可提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考反射波的校正反射擋桿，一個(gè)包括信號(hào)的接收放大，時(shí)間衰減抑制、整理，測(cè)時(shí)、運(yùn)算，顯示、報(bào)警功能的儀表。
為了有效地減小測(cè)量盲區(qū)，抑制發(fā)射信號(hào)的拖尾和雜波的干擾，本裝置中采用了時(shí)間衰減抑制放大器。在發(fā)射超聲波信號(hào)的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間指數(shù)變化的電壓作為檢波輸出的參考電壓，當(dāng)放大電路的輸出高于(對(duì)正電平檢波輸出時(shí))或低于(對(duì)負(fù)電平檢波輸出時(shí))該參考電壓時(shí)，信號(hào)可以通過(guò)，否則信號(hào)被抑制掉，抑制電平隨時(shí)間按指數(shù)關(guān)系衰減，抑制作用由強(qiáng)變?nèi)酰瑢?shí)現(xiàn)對(duì)近距離信號(hào)有很強(qiáng)的抑制，而隨距離增遠(yuǎn)抑制作用減弱，對(duì)遠(yuǎn)距離信號(hào)基本無(wú)抑制。
本裝置在容器內(nèi)部或旁通管內(nèi)靠近超聲波換能器處，設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)反射擋桿，使換能器發(fā)出的超聲波一小部分被擋桿反射回來(lái)，另一部分則繼續(xù)傳播，到液面后再反射回來(lái)，然后分別測(cè)量出擋桿反射的傳播時(shí)間t0和液面回波的傳播時(shí)間t，設(shè)擋桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，液面高度為L(zhǎng)，便可由下式求了液面的高度L＝L0t／t0。這樣有效地消除了溫度、壓力，成份等因素的影響，從而保證了較高的測(cè)量精度，儀器對(duì)液體介質(zhì)聲速特性有廣泛適應(yīng)性。這樣測(cè)量時(shí)無(wú)須關(guān)心超聲波在具體對(duì)象中傳播的速度。
本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程由下面實(shí)施例及附圖給出。


圖1是本壁外式超聲波液面檢測(cè)裝置的安裝示圖。
圖2是本壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置組成框圖。
圖3a、3b、3c、3d是本壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置中的時(shí)間衰減抑制放大器線路圖。
圖1中在容器15的旁邊接著旁通管14，在旁通管14底部外壁垂直向上裝著超聲波換能器1－1，在旁通管14內(nèi)部靠近超聲波換能器(1－1)裝著一個(gè)可以提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考反射波的校正反射擋桿1－2，用以修正液體溫度、壓力和成份等因素對(duì)超聲波傳播速度的影響。超聲波換能器1－1的檢測(cè)信號(hào)輸入到一個(gè)具有信號(hào)接收、放大、時(shí)間衰減抑制、整理、測(cè)時(shí)、運(yùn)算、顯示和報(bào)警功能的儀表Y。
本超聲波液位檢測(cè)裝置的組成框圖(圖2)中，1為超聲波換能器(1－1)及校正擋桿(1－2)，2前置發(fā)射放大器，3同步電路，4接收放大電路，5時(shí)間衰減抑制電路，6信號(hào)整理電路，7測(cè)時(shí)電路，8單片計(jì)算機(jī)電路，9數(shù)碼顯示電路、10參數(shù)設(shè)置電路，11聲光報(bào)警電路，12串口輸出電路，13電流信號(hào)輸出電路，序號(hào)3－13的各電路統(tǒng)含在儀表Y中。
本裝置的工作過(guò)程是在同步信號(hào)的控制下，前置發(fā)射放大器2產(chǎn)生一高壓脈沖信號(hào)，激勵(lì)超聲波換能器1－1，使之振動(dòng)，發(fā)射一束高頻脈沖超聲波，超聲波穿過(guò)容器的外壁進(jìn)入液體，再由液面反射回來(lái)，為換能器接收，前置器放大液面回波的微弱信號(hào)，通過(guò)電纜線傳給儀器，經(jīng)光電隔后進(jìn)入儀器的放大電路4，時(shí)間衰減抑制電路5提供一個(gè)隨時(shí)間按指數(shù)衰減變化的抑制電平，用以抑制發(fā)射波的拖尾和噪聲，達(dá)到減小測(cè)量盲區(qū)和消除干擾的目的。經(jīng)抑制后的信號(hào)再進(jìn)行放大，然后傳給信號(hào)整理電路6將回波信號(hào)整成方波，再由單片計(jì)算機(jī)控制選擇分別對(duì)校正回波信號(hào)和液面回波信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)電路7檢測(cè)出對(duì)應(yīng)時(shí)間，再傳給單片機(jī)8，進(jìn)行運(yùn)算和濾波處理，得出對(duì)應(yīng)的液位值，由數(shù)碼顯示電路9進(jìn)行顯示，單片計(jì)算機(jī)還根據(jù)檢測(cè)到的當(dāng)前液位值和由參數(shù)設(shè)置電路10設(shè)置的上、下限液位值進(jìn)行超限判別，若液位超限，則由聲光報(bào)警電路11進(jìn)行聲光報(bào)警。本裝置電流信號(hào)輸出電路13還提供標(biāo)準(zhǔn)4－20mA模擬電流信號(hào)輸出和標(biāo)準(zhǔn)Rs－232C串行通訊口12，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)傳和與高位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息傳送。
圖3是本實(shí)用新型中特別設(shè)計(jì)的時(shí)間衰減抑制放大器實(shí)例，圖3a、3b、3c、3d示出了四種接線方式。在圖3a和3b中，二極管D1負(fù)極接至前級(jí)放大器A1的輸出端，正極接到B點(diǎn)。電容C的一端與同步信號(hào)T的輸出端相連，另一端與可變電阻Rw1串接后再接到三極管BG1的基極。圖3a中三極管BG1的發(fā)射極接至負(fù)電源E－、BG1的集電極接至B點(diǎn)。圖3b中三極管BG1的發(fā)射極接至B點(diǎn)，集電極接至E－，電阻R1一端接到正電源E＋，另一端與可調(diào)電阻Rw2串連，可調(diào)電阻Rw2的另一端接到B點(diǎn)，R2一端接到E－，另一端接到B點(diǎn)，抑制后的信號(hào)從B點(diǎn)輸出，送到后級(jí)放大器A2的輸入端。
在圖3c和3d中，二極管D1的正極接到前級(jí)放大器A1的輸出端、負(fù)極接于B點(diǎn)。圖3c中三極管BG1的集電極接到正電源E＋、發(fā)射極接于B。圖3d中，三極管BG1的發(fā)極接到電源E＋，集電極接于B點(diǎn)，其余電阻R1、R2、Rw1、Rw2和電容C的連接同圖3a、3b中所述。
在圖3a、3b中，二極管D1作為放大器A1輸出信號(hào)的檢波器，它允許放大器A1輸出信號(hào)低于B點(diǎn)電壓的部分通過(guò)，而高于B點(diǎn)電壓部分則被抑制掉，可調(diào)電阻Rw1、電容C和三極管BG1用于在B點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)下拉的指數(shù)衰減變化的電壓，可調(diào)電阻Rw1和電容C決定了指數(shù)曲線的時(shí)間常數(shù)。該電路的工作過(guò)程是在同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，即發(fā)射超聲波的時(shí)刻，同步信號(hào)通過(guò)可調(diào)電阻Rw1和三極管BG1向電容C充電，初始時(shí)刻三極管BG1飽和導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓VB接近E－，隨著電容C的電壓增高，充電流按指數(shù)關(guān)系減小，VB也逐漸按指數(shù)關(guān)系增高，直至5倍的時(shí)間常數(shù)的時(shí)間，VB基本回復(fù)到穩(wěn)態(tài)值，這樣在B點(diǎn)得到一個(gè)按指數(shù)關(guān)系衰減的負(fù)的抑制電平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)射拖尾信號(hào)較強(qiáng)的抑制和對(duì)液面回波信號(hào)較弱的抑制，從而減小了測(cè)量盲區(qū)。
在圖3c和3d中，二極管D1被接成正向?qū)?，即允許放大器A1輸出信號(hào)電壓高于B點(diǎn)電壓的部分通過(guò)，而信號(hào)電壓低于B點(diǎn)電壓的部分則被抑制掉，三極管BG1接到了E＋和B點(diǎn)，在同步信號(hào)T和電容C、可調(diào)電阻Rw1，三極管BG1的共同作用下，在B點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)上拉的指數(shù)衰減電壓，作為檢波二極管D1的參考電壓，從而完成對(duì)發(fā)射波拖尾信號(hào)較強(qiáng)抑制和對(duì)液面回波信號(hào)較弱抑制或不抑制，達(dá)到減小測(cè)量盲區(qū)的目的。
圖3中R1、Rw2和R2、電源E＋、E－構(gòu)成B點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)分壓電路，調(diào)整Rw2可改變穩(wěn)態(tài)抑制電平，消除噪聲干擾。
實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)具體對(duì)象調(diào)整Rw2，即改變抑制曲線的時(shí)間常數(shù)，使抑制曲線的衰減特性與液體的聲壓衰減特性接近或一致，從而獲得較好的抑制效果。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是超聲波傳感器只須安裝在容器壁外，不接觸被測(cè)液體介質(zhì)，因而具有不破壞容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性，與被測(cè)液體無(wú)電接觸，安全防爆，無(wú)腐蝕，可靠性好，特別適合于密封容器，有壓容器、易燃易爆液體容器，腐蝕性液體容器內(nèi)部的液位測(cè)量。
權(quán)利要求1.一種壁外式超聲波液位檢裝置，其特征在于它包括一個(gè)安裝在容器底部外壁或者旁通管底部外壁的超聲波換能器(1-1)，一個(gè)在容器內(nèi)部或旁通管內(nèi)部靠近超聲波換能器(1-1)，能提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考反射波的校正反射擋桿(1-2)，一個(gè)具有信號(hào)接收放大，時(shí)間衰減抑制、整理、測(cè)時(shí)、運(yùn)算、顯示和報(bào)警功能的儀表(Y)。
2.如權(quán)利要求1所述的壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置，其特征在于儀表Y中的時(shí)間衰減抑制電路(5)由二級(jí)管D1、電阻R1、R2、可調(diào)電阻Rw1、Rw2、電容C，晶體三極管BG1或與晶體三極管具有同等功能的器件構(gòu)成，二極管D1負(fù)極接到前級(jí)放大器A1的輸出端，正極接到B點(diǎn)，電容C的一端與同步信號(hào)T的輸出端相連，另一端與可變電阻Rw1串接后再接到三極管BG1的基極，三極管BG1的發(fā)射極接至負(fù)電源E－，集電極接于B點(diǎn)，或者三極管BG1的發(fā)射極接至B點(diǎn)，集電極接負(fù)電源E－，電阻R1一端接正電源E＋，另一端與可調(diào)電阻Rw2串連，可調(diào)電阻Rw2的另一端接到B點(diǎn)，R2一端接到E－，另一端接到B點(diǎn)，抑制后的信號(hào)從B點(diǎn)輸出，送到后級(jí)放大器A2的輸入端。
3.如權(quán)利要求1所述的壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置，其特征在于儀表Y中的時(shí)間衰減抑制電(5)由二級(jí)管D1，電阻R1、R2，可調(diào)電阻Rw1、Rw2、電容C，晶體三極管BG1或與晶體三極管具有同等功能的器件構(gòu)成，二極管D1的正極接到前級(jí)放大器A2的輸出端，負(fù)極接于B點(diǎn)，三極管BG1的集電極接到正電源E＋，發(fā)射極接于B點(diǎn)，或者三極管BG1的發(fā)射極接到正電源E＋集電極接于B點(diǎn)，電容C的一端與同步信號(hào)T的輸出端相連，另一端與可變電阻Rw1串接后再接到三極管BG1的基極，電阻R1一端接到正電源E＋，另一端與可調(diào)電阻Rw2串連，可調(diào)電阻Rw2的另一端接到B點(diǎn)，R2一端接到E－，另一端接到B點(diǎn)，抑制后的信號(hào)從B點(diǎn)輸出送到后的放大器A2的輸入端。
專利摘要一種壁外式超聲波液位檢測(cè)裝置。它包括一個(gè)安裝在容器底部外壁或旁通管底部外壁的超聲波換能器(1-1)，一個(gè)在容器內(nèi)部或旁通管內(nèi)部靠近超聲波換能器的提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考反射波的校正反射擋桿(1-2)，一個(gè)具有信號(hào)的接收放大、時(shí)間衰減抑制、整理、測(cè)時(shí)、運(yùn)算、顯示和報(bào)警功能的儀表(Y)。本裝置采用了時(shí)間衰減抑制放大器，能有效地減小測(cè)量盲區(qū)、抑制發(fā)射信號(hào)的拖尾和雜波的干攏。傳感器安裝在容器壁外、不接觸被測(cè)液體介質(zhì)，特別適合于密封，有壓容器，易燃易爆液體和腐蝕性液體容器內(nèi)部的液位測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F23/28GK2206449SQ9421648
公開(kāi)日1995年8月30日 申請(qǐng)日期1994年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月11日
發(fā)明者馬志敏 申請(qǐng)人:馬志敏