一种新型的液位检测仪

【摘 要】为了准确地计量密闭容器中液体的液位,本文设计了一种新型液位仪,介绍了该液位仪的构成、工作原理、特点和功能以及应用效果.

【关 键 词】非接触式测量；超声波；液位检测；微机控制

1.概述

液位仪广泛应用于石油、化工等领域.实现非接触式测量、智能化检测一直是现代工业商业的主要发展方向.

目前常见的各种油料储运设备本身基本上都没有自身液位测量或显示系统.特别是一些小型油料储运设备如油罐车,则一般都靠打开油罐使用测油绳来进行检测.这样的检测不但精度差,而且安全系数也比较低.现有用于液位测量的设备一般都属于接触型,即要将检测探头伸入储运设备内部进行检测,这样既不方便也不安全而且造价一般都比较昂贵.

本文介绍了一种适合于小型油料储运设备（一般指高度不超过5米的设备）的液位检测的仪器检测系统.该液位检测仪具有操作简单、使用方便、便于携带、检测精度高、性能稳定、实用性强、低等特点.

2.系统测量原理

2.1系统的基本结构

图1系统组成框图

图2测量方法示意图

该仪器系统的硬件基本组成结构如图1所示,系统主要由超声波检测器（包括超声波探头与超声波收发电路）及以单片机为核心的信号处理与控制电路组成.

其中超声波检测器的主要功能一是在单片机控制下发射用于检测的超声波信号,二是接受回波反射信号并送信号处理电路；信号控制处理系统的功能则主要是控制发射信号和处理分析回波信号.

2.2系统的测量原理

该液位仪主要采用超声检测技术和微机处理技术相结合,设计的一种能够自动对密闭容器中的液体的液位进行自动测量的仪器.仪器能够记录并显示相应的处理结果.

仪器采用的测量方法如图2所示,将超声波探头置于被测密闭罐状容器底部,并且尽量使其与液面垂直.

仪器是根据“回波测距”的原理设计的,如图3所示.

图3波形示意图

系统由超声波发射器发射超声波,声脉冲经各种介质进行传播.当超声波经第一介质（罐体壁）遇到第一个界面（即两种不同介质的接触面,这里是指固/液界面）,会产生一次回波（我们也称为始波）,探头接收到此信号后,送回处理电路进行处理（由于回波信号一般为毫伏级别且为不规则波形,为了便于后续单片机电路识别处理,要通过一定的整形放大使之成为可以为单片机系统电路可识别的信号）,系统记录下回波接收时间t0；此时的超声波除大部分反射外,会有部分声波透射过第一界面进入第二介质（这里是液体）,当超声波到达第二界面（油/气界面）,又会产生反射,探头接收到第二次回波并记录时间t1.如果超声波有足够的强度或者在液位相对比较低的时候,我们还可以接收到第二、第三次甚至更多的回波,得到t2、t3等等.相邻两个tn+1、tn（n等于0、1、2等）的差值我们一般称为渡越时间.由于超声波在固体介质中的传播速度一般远大于在液体介质中的传播速度,再加上罐壁厚度远小于一般需要测量的液位高度,在罐壁传播的时间可以忽略不记,即渡越时间可近似认为是超声波在液体介质中的传播时间.超声波本身具有在同一介质中的传输速度不变这一特点,这样由渡越时间和声速,就可以计算出要测量的液位高度.这样,根据公式2-1就可以计算出液位的高度.

（n等于0、1、2等）2-1

式中：H——液面高度

C——超声波在相应的液体介质中的传播速度

单片机每40ms发射一个控制脉冲,如此反复.为了提高精度,系统每测得6组数据取一次平均值存储并送显示.

3.仪器的功能与特点

该仪器是一种智能化的数字仪表,具有如下的功能与特点：

（1）仪器总重量比较轻（不超过5kg）,体积小,便于携带,可以实现随走随测,同时仪器的操作简单,使用者不需要进行任何培训；

（2）实现了真正意义上的非接触测量,仪器在进行测量时,仪器的任何部件均不需要与被测介质进行接触,因而可以对一般仪表不能进行检测的强酸、强碱、易燃、易爆等介质进行检测；

（3）仪器可以完全独立进行检测,不需要对被测罐体进行改装改造,也就是说使用一台仪器可以完成对多个被测对象的测量,降低了成本投入；

（4）该仪器的盲区为8mm,最大测量距离可达5m,完全可以满足油罐车等相对高度较低的油料储运设备的测量需求；

（5）该仪器采用了标准模块定标、温度补偿等多种用来提高精度的措施,一般测量精度可达1mm,能够满足一般检测的精确测量.同时根据需求还可以通过选用高精度灵敏器件等方法进一步提高测量精度,例如通过提高采样频率（现有频率为2M）等方法

4.结束语

该液位检测仪经实际应用检验,不仅能方便、快速地对一些小型油罐的液位进行精确的测量,而且可以实现对其进行实时监测.实际应用结果也表明,该仪器对于那些自身未装备任何检测设备而且又不便于对罐体进行改装改造的油罐进行精确测量或实时监测的一个首选设备.

仪器采用全封闭结构,不仅适合于在一般情况下的液位检测,而且在一些超声波探头能够正常工作的高温、高压、强腐蚀等条件下,仍然能够进行精确的检测,具有很好的应用前景和推广价值.