專利名稱：壁外式超聲波液位檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及超聲波檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲波液位儀。
目前國內(nèi)外有關(guān)液介式超聲波液位檢測技術(shù)，主要應(yīng)用于河道水深探測和一些敝開式容器液位的測量，其主要特點是傳感器直接接觸被測液體介質(zhì)。對于密封容器和有壓容器內(nèi)部液位的測量，目前尚無一種實用的，能從容器外壁直接檢測出容器內(nèi)部液位的超聲波液位儀。有關(guān)密封容器內(nèi)部液位的測量，現(xiàn)在主要依賴于壓力式和浮子式兩種檢測儀表，二者的共同特點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，同時傳感器易污染，易腐蝕，可靠性差，安裝維護(hù)不方便。
本實用新型的目的在于提供一種壁外式超聲波液位檢測裝置，實現(xiàn)從容器的外壁直接檢測出容器內(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)部液位的非接觸測量，從而提高該類容器液位檢測的安全性、方便性、可靠性和精確性。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的原理是利用超聲波的穿透性和反射特性，通過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?，再由液面反射回來，穿透容器的外壁，為超聲波換能器接收，通過測量出超聲波在液體介質(zhì)中來回傳輸?shù)臅r間，進(jìn)而計算出液位的高度。
本壁外式超聲波液位檢測裝置，包括一個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標(biāo)準(zhǔn)參考反射波的校正反射擋桿，一個包括信號的接收放大，時間衰減抑制、整理，測時、運(yùn)算，顯示、報警功能的儀表。
為了有效地減小測量盲區(qū)，抑制發(fā)射信號的拖尾和雜波的干擾，本裝置中采用了時間衰減抑制放大器。在發(fā)射超聲波信號的同時，產(chǎn)生一個隨時間指數(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(對正電平檢波輸出時)或低于(對負(fù)電平檢波輸出時)該參考電壓時，信號可以通過，否則信號被抑制掉，抑制電平隨時間按指數(shù)關(guān)系衰減，抑制作用由強(qiáng)變?nèi)酰瑢崿F(xiàn)對近距離信號有很強(qiáng)的抑制，而隨距離增遠(yuǎn)抑制作用減弱，對遠(yuǎn)距離信號基本無抑制。
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，另一部分則繼續(xù)傳播，到液面后再反射回來，然后分別測量出擋桿反射的傳播時間t0和液面回波的傳播時間t，設(shè)擋桿長度為L0，液面高度為L，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量精度，儀器對液體介質(zhì)聲速特性有廣泛適應(yīng)性。這樣測量時無須關(guān)心超聲波在具體對象中傳播的速度。
本實用新型的具體結(jié)構(gòu)及工作過程由下面實施例及附圖給出。


圖1是本壁外式超聲波液面檢測裝置的安裝示圖。
圖2是本壁外式超聲波液位檢測裝置組成框圖。
圖3a、3b、3c、3d是本壁外式超聲波液位檢測裝置中的時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)裝著一個可以提供一個標(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超聲波傳播速度的影響。超聲波換能器1－1的檢測信號輸入到一個具有信號接收、放大、時間衰減抑制、整理、測時、運(yùn)算、顯示和報警功能的儀表Y。
本超聲波液位檢測裝置的組成框圖(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時間衰減抑制電路，6信號整理電路，7測時電路，8單片計算機(jī)電路，9數(shù)碼顯示電路、10參數(shù)設(shè)置電路，11聲光報警電路，12串口輸出電路，13電流信號輸出電路，序號3－13的各電路統(tǒng)含在儀表Y中。
本裝置的工作過程是在同步信號的控制下，前置發(fā)射放大器2產(chǎn)生一高壓脈沖信號，激勵超聲波換能器1－1，使之振動，發(fā)射一束高頻脈沖超聲波，超聲波穿過容器的外壁進(jìn)入液體，再由液面反射回來，為換能器接收，前置器放大液面回波的微弱信號，通過電纜線傳給儀器，經(jīng)光電隔后進(jìn)入儀器的放大電路4，時間衰減抑制電路5提供一個隨時間按指數(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)到減小測量盲區(qū)和消除干擾的目的。經(jīng)抑制后的信號再進(jìn)行放大，然后傳給信號整理電路6將回波信號整成方波，再由單片計算機(jī)控制選擇分別對校正回波信號和液面回波信號進(jìn)行計時，計時電路7檢測出對應(yīng)時間，再傳給單片機(jī)8，進(jìn)行運(yùn)算和濾波處理，得出對應(yīng)的液位值，由數(shù)碼顯示電路9進(jìn)行顯示，單片計算機(jī)還根據(jù)檢測到的當(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，則由聲光報警電路11進(jìn)行聲光報警。本裝置電流信號輸出電路13還提供標(biāo)準(zhǔn)4－20mA模擬電流信號輸出和標(biāo)準(zhǔn)Rs－232C串行通訊口12，從而實現(xiàn)信號的遠(yuǎn)傳和與高位計算機(jī)系統(tǒng)的信息傳送。
圖3是本實用新型中特別設(shè)計的時間衰減抑制放大器實例，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)極接至前級放大器A1的輸出端，正極接到B點。電容C的一端與同步信號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。圖3b中三極管BG1的發(fā)射極接至B點，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，R2一端接到E－，另一端接到B點，抑制后的信號從B點輸出，送到后級放大器A2的輸入端。
在圖3c和3d中，二極管D1的正極接到前級放大器A1的輸出端、負(fù)極接于B點。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，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輸出信號的檢波器，它允許放大器A1輸出信號低于B點電壓的部分通過，而高于B點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點產(chǎn)生一個下拉的指數(shù)衰減變化的電壓，可調(diào)電阻Rw1和電容C決定了指數(shù)曲線的時間常數(shù)。該電路的工作過程是在同步信號到來時，即發(fā)射超聲波的時刻，同步信號通過可調(diào)電阻Rw1和三極管BG1向電容C充電，初始時刻三極管BG1飽和導(dǎo)通，B點電壓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倍的時間常數(shù)的時間，VB基本回復(fù)到穩(wěn)態(tài)值，這樣在B點得到一個按指數(shù)關(guān)系衰減的負(fù)的抑制電平，實現(xiàn)了對發(fā)射拖尾信號較強(qiáng)的抑制和對液面回波信號較弱的抑制，從而減小了測量盲區(qū)。
在圖3c和3d中，二極管D1被接成正向?qū)?，即允許放大器A1輸出信號電壓高于B點電壓的部分通過，而信號電壓低于B點電壓的部分則被抑制掉，三極管BG1接到了E＋和B點，在同步信號T和電容C、可調(diào)電阻Rw1，三極管BG1的共同作用下，在B點產(chǎn)生一個上拉的指數(shù)衰減電壓，作為檢波二極管D1的參考電壓，從而完成對發(fā)射波拖尾信號較強(qiáng)抑制和對液面回波信號較弱抑制或不抑制，達(dá)到減小測量盲區(qū)的目的。
圖3中R1、Rw2和R2、電源E＋、E－構(gòu)成B點的穩(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。
實際使用時，可根據(jù)具體對象調(diào)整Rw2，即改變抑制曲線的時間常數(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。
本實用新型的特點是超聲波傳感器只須安裝在容器壁外，不接觸被測液體介質(zhì)，因而具有不破壞容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性，與被測液體無電接觸，安全防爆，無腐蝕，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)，能提供一個標(biāo)準(zhǔn)參考反射波的校正反射擋桿(1-2)，一個具有信號接收放大，時間衰減抑制、整理、測時、運(yùn)算、顯示和報警功能的儀表(Y)。
2.如權(quán)利要求1所述的壁外式超聲波液位檢測裝置，其特征在于儀表Y中的時間衰減抑制電路(5)由二級管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)極接到前級放大器A1的輸出端，正極接到B點，電容C的一端與同步信號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，或者三極管BG1的發(fā)射極接至B點，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，R2一端接到E－，另一端接到B點，抑制后的信號從B點輸出，送到后級放大器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裝置，其特征在于儀表Y中的時間衰減抑制電(5)由二級管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的正極接到前級放大器A2的輸出端，負(fù)極接于B點，三極管BG1的集電極接到正電源E＋，發(fā)射極接于B點，或者三極管BG1的發(fā)射極接到正電源E＋集電極接于B點，電容C的一端與同步信號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，R2一端接到E－，另一端接到B點，抑制后的信號從B點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裝置。它包括一個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標(biāo)準(zhǔn)參考反射波的校正反射擋桿(1-2)，一個具有信號的接收放大、時間衰減抑制、整理、測時、運(yùn)算、顯示和報警功能的儀表(Y)。本裝置采用了時間衰減抑制放大器，能有效地減小測量盲區(qū)、抑制發(fā)射信號的拖尾和雜波的干攏。傳感器安裝在容器壁外、不接觸被測液體介質(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)部的液位測量。
文檔編號G01F23/28GK2206449SQ9421648
公開日1995年8月30日 申請日期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 申請人:馬志敏