一种外置式超声波液位监控报警装置

技术领城

本发明涉及对储罐中液体的液位进行非接触监控报警，是一种外置式超 声波液位监控报警装置。 背景技术

在医药、石油、化工、电力、食品等行业的液位工程控制中，必须对储 罐内的液位进行监控。当储罐内的液位到达上限位或下限位时，液位报警设

备需对此给出警示。R前所普遍应用的插入式报警装置，在安装时必须对罐 体进行开孔焊接，对于含有爆炸性、毒性、腐蚀性、高压性的液体或气体装 置中，此安装方式容易造成泄露危险，存在严重的安全隐患，在这些领域无 法普及应用。超声波液位监控报警装置针对插入式所带来的问题而给予了很 好的解决，不会因为安装而对储罐表面结构造成任何破坏，在这些特殊领域 具有很好的市场发展前景。 发明内容

本发明的目的在于克服上述应用缺陷，设计出了测量精度高、稳定性好、 方便安装和维护的一种外置式超声波液位监控报警装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样解决的：在液体储罐外壁 上置有超声波液位监控报警装置，其特殊之处在于所述液位监控报警装置包 括一个壳体，壳体连接超声发射探头，超声接收探头置于在液体储罐外壁与 超声发射探头同一水平线上，超声接收探头通过引线连接到壳体一侧内，并 最终弓I至数据处理模块的输入端，其超声发射探头和超声接收探头安装在由 永久磁铁构成的吸盘内，吸盘将超声发射探头和超声接收探头吸附在液体储

罐外壁上，壳体内置有数据处理模块，超声发射探头与数据处理模块的信号 输出端口相连，超声接收探头信号与接收信号限幅保护器连接，接收信号限 幅保护器与接收信号放大器连接，接收信号放大器与接收信号检波器连接， 接收信号检波器与信号处理器连接，信号处理器的信号输出端口通过发射信 号功放驱动器与超声发射探头相连，信号处理器的报警信号输出端口与报警 设备控制器相连，壳体另一侧连接电源及输出信号，输出信号可以连接到声 光报警装置的控制端，也可以作为开关量连接到被控设备。

所述超声探头的频率范围为20K-500KHz，发射信号功放驱动器（11)输 送给超声探头（3)的电信号的电压幅度为20-300V的短时脉冲，持续时间为 0.01-3毫秒，脉冲信号重复周期为0.5-5秒。

所述超声探头是由换能器与其腔体连接构成复合棒形结构。 所述外置式超声波液位监控报警装置采用收发分开的两个超声波探头。 本发明外置式超声波液位监控报警装置与现有技术相比，安装时不穿孔、 不动火、不损伤罐体，可不停产安装，安装和工作时对罐内液体不产生干扰、 无泄漏、无污染、无腐蚀。该装置具有结构筒单、安装维修方便、适用范围 广、可靠性强、安全性好、功率小、检测精度高、声光报警，使用方便及远 程控制等特点，可广泛应用于医药、石油、化工、电力、食品等行业的液位 工程控制。 附图说明

图1为本液位控制器的使用状态图； 图2为本液位控制器结构示意图； 图3为图2控制器A—A剖视图； 图4为液位控制器电路方框图； 图5-l、 5-2、 5-3、 5-4、 5-5为图4的控制器电路原理图。 具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的内容作进一步说明：

参照图l、图2、图3、图4所示， 一种外置式超声波液位监控报警装置。 在液体储罐5外壁上置有超声波液位监控报警装置，其所述液位监控报警装 置包括一个壳体6，其内部置放有数据处理模块l,数据处理模块l的超声波 输出端口通过壳体6连接超声发射探头2，超声波接收探头3置于在液体储罐 5外壁与超声发射探头2同一水平线上，超声波接收探头3通过引线7连接到 壳体6 —侧内并最终引至数据处理模块1的输入端口，其超声发射探头2和 超声波接收探头3安装在由永久磁铁构成的吸盘4内，吸盘4将超声发射探 头2和超声接收探头3吸附在液体储罐5外壁上，超声接收探头3信号与接 收信号限幅保护器12连接，接收信号限幅保护器12与接收信号放大器13连 接，接收信号放大器13与接收信号检波器14连接，接收信号检波器14与信 号处理器10连接，信号处理器10的信号输出端口通过发射信号功放驱动器 11与超声发射探头2相连，信号处理器10的报警信号输出端口与报警设备控 制器15相连，壳体6另一侧连接电源及输出信号，输出信号可以连接到机算 机上存储数据。

图5 —1、 5—2、 5 — 3、 5 — 4、 5 —5为图4的控制器电路原理图，与原理 框图相对应，图4所示10为信号处理器单元，11为发射信号功放驱动单元， 12为接收信号限幅保护单元，13为接收信号放大单元，14为接收信号检波单 元，15为报警设备控制单元。信号处理器10中的Ul的第3脚并联有电容C7、 C8，电容C7、 C8另一端与AGND连接，第12脚并联电阻Rq、电容Co，电阻 Ro另一端接VDD，电容C。另一端接地，Ul为C8051F007，用于对发射信号、 报警信号的控制及对接收信号的采样、处理。信号处理器10通过输出端口 PO.l、 P0.2与发射信号功放驱动器11相连，输出端口 P0.1—端连接在Q2上， 输出端口 P0.2 —端连接在Q3上，Q2另一端与二极管D3和变压器一次侧的第 l脚连接，Q3另一端与二极管D4和变压器一次侧的第4脚连接，二极管D3、

D4反向串并联连接在变压器一次侧的第1、4脚的两端，变压器一次侧的第2、 3脚连接一个晶体振荡器C13，晶体振荡器C13另一端接地，变压器二次侧的 第5、 6脚连接到发射探头2，产生超声波信号。超声接收探头3接收超声波 信号，同时与接收信号限幅保护单元12相连，接收信号限幅保护单元12串 联连接反向二极管D5、 D6，反向二极管D5、 D6另一端接地，该单元主要利 用二极管D5、 D6特性对接收信号进行限幅、保护。接收信号限幅保护单元 12再与接收信号放大单元13相连，接收信号放大单元13 —端依次串联连接 电容C14、电阻R17，电阻R17另一端分别与电阻R170 —端、运算放大器U5A 第2脚连接，运算放大器U5A第8脚旁路串联连接一个电容C15，电容C15 另一端接地，电阻R18分别与电阻R19—端、运算放大器U5A第3脚连接， 电阻R19、运算放大器U5A第4脚接地，该单元通过运算放大器U5A对接收 来的信号进行放大。接收信号放大单元13再与接收信号检波单元14，运算放 大器U5A的第1脚与接收信号检波单元14中的二极第管D7连接，二极第管 D7的另一端依次分别与电阻R20、电容C16、运算放大器U5B的5脚连接， 电阻R20、电容C16、运算放大器U5B的4脚、二极第管D8与地连接，运算 放大器U5B的8脚接电源，6、 7脚短接，第7脚与二极第管D8、 D9的一端 连接，对放大后的信号进行检波处理，提取接收信号的包络信息。接收信号 检波单元14将该信息送到信号处理器10的AD转化器中，信号处理器10对 其进行采样、处理，根据处理结果判断控制器所处位置到底有无液体存在。 最后，信号处理器10通过输端口 P0.3、 P0.4、 NP0.4控制报警设备控制器15， 控制报警设备控制器15的芯片U4的第1脚上串联连接一个电阻R21，第2 脚接地，3、 4脚输出开关信号，发光二极管L3的第2脚节点两侧各连接一个 电阻Rll、 R12， RVG的第l脚连接一个电阻Rll，电阻R11端口NP0.4连接， RVG的第3脚连接一个电阻R12，电阻R12输出端口P0.4连接，给出声光报

警及进行继电操控。 其工作方式为：数据处理模块中的CPU给出一个激励脉冲，经过功放电 路放大后，加到超声发射探头上发射超声波信号。超声信号在罐壁及罐内液 体分界面发生反射，同时沿着整个罐体及在介质中传播。超声接收探头接收 该信号，送到变送器经限幅保护、信号放大、包络检波处理后，再经过变送 器中CPU采集处理进行比对，根据信号的强弱判断出储罐液体液位是否达到

报警线，并由变送器中的CPU将报警信号送到控制器，最后由控制器驱动声

光报警及进行继电操控。其比对原理是：超声发射与接收探头处于同一水平 线上。当超声接收探头所在位置有液体时，超声接收探头会接收到来自发射 探头一个相对较弱的信号；当超声接收探头所在位置没有液体时，超声接收 探头会接收到一个来自发射探头相对较强的信号；当然两种信号需要事先预 存到CPU中作为比对标准。

超声探头是复合棒形换能器，超声发射探头2连接壳体6，该探头前端连 接吸盘，吸盘镶有磁铁，超声发射探头2位于壳体前端，与之相连的数据处 理模块1位于其后部空腔内，超声接收探头3将其接收到的信号送入数据处 理模块1中。安装时超声探头利用吸盘4上的磁铁直接吸附在储罐5表面报 警液面处，并用硅酯或凡士林作为探头表面与罐壁之间的耦合剂，分别记录 报警液面处有液体和没有液体两种状态下的信号值进行探头标定，探头标定 完毕后进入"工作"状态，数据处理模块1会根据实际的液位状态进行判断。 当然，安装时必须使发射探头和接收探头处于同一水平线上，要将预定检测 位置用钢丝刷、砂纸、锉刀等工具打磨清理出一个直径约150mm的平面，要 求应尽可能平滑（用手触摸无较明显的凸凹不平和毛刺）。再用丙酮（或用其 它方法）进行脱脂、净化处理，以保证该安装接合平面无污垢、油漆、灰尘、 颗粒物等。

超声发射探头2的频率范围为20K-500KHz，发射信号功放驱动器输送 给超声探头的电信号为电压幅度为20-300V的短时脉冲，持续时间为0.01-3

毫秒，脉冲信号重复周期为0.5-5秒。其适用范围广，对被测液体介质、容器 材料及容器压力没有特殊要求。

数据处理模块1由信号处理器10、发射信号功放驱动器11、接收信号

限幅保护器12、接收信号放大器13、接收信号检波器14和报警设备控制器 15组成。信号处理器10信号处理器的信号输出端口通过发射信号功放驱动 器11与超声发射探头2相连，信号处理器10的信号接收端口通过接收信号 检波器14、接收信号放大器13、接收信号限幅保护器12与超声接收探头3 相连，信号处理器10的报警信号输出端口与报警设备控制器15相连。超声 探头的辐射面紧贴在罐壁外表面，用超声发射探头2发射，超声接收探头3 接收。数据处理模块l中的信号处理器IO给出一个激励脉冲，经过功率放大 后，加到超声发射探头2上，超声探头2发出超声信号，此信号会在储罐表 面和介质内传播并发生发射，经过超声接收探头3接收后变成电信号加到数 据处理模块l中的信号输入端口，该接收信号经过接收信号限幅保护器12进 行限幅保护后，经过接收信号放大器13进行放大，再对其进行检波处理后， 送到数据处理模块1中的信号处理器10 (CPU)进行采样处理，然后根据回 波信号的强弱判断出储罐5的液位是否达到报警线，当达到报警线时，由数 据处理模块1中的CPU向报警设备控制器15输出报警信号，最后由报警设 备控制器15驱动声光报警及进行继电操控。该装置可根据用户的要求及使用 场所的不同，可以做成防爆型，也可以做成普通型，所说防爆型装置必须符 合国家对防爆产品的有关规定。