專利名稱：利用半波透射原理的超聲波油罐液位自動測量技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用半波透射原理，應(yīng)用超聲脈沖反射方法來自動測量油罐內(nèi)液面位置的方法。
在石油石化企業(yè)中，高溫高壓儲油罐的液位的無損、防暴、安裝簡便的自動化測量技術(shù)一直是未能很好解決的難題。
目前廣泛使用的頂置式液位測量裝置的主要缺點(diǎn)是(1)安裝、檢修時需泄壓或使裝置停止運(yùn)行，不便于施工；(2)傳感器工作環(huán)境惡劣，壽命短；(3)對于超聲波液位測量裝置，自動化程度和測量精度均不高和還具有易爆缺點(diǎn)。
由于聲波難以透過較厚的容器壁，所以一直未形成把探頭安裝于罐底的超聲脈沖反射法檢測厚壁容器內(nèi)液位的探測技術(shù)。
本發(fā)明的目的是要提供一種易安裝、成本低、全自動、精度高并可與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)通訊的高壓密封油罐液位測量方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，將超聲波探頭的輻射面直接耦合于油罐的底部，探頭工作在自發(fā)自收狀態(tài)，依靠液面反射波的到達(dá)時間確定罐內(nèi)液面位置。其測量系統(tǒng)包括MPU控制的Burst超聲信號源、多路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC、寬頻放大器及比較器。加在超聲波探頭上的激勵信號為Burst信號(若干個正弦波脈沖信號)，Burst信號的頻率f0要近似等于探頭的諧振頻率，并滿足罐的壁厚透射共振條件do＝Vo/2fo(式中，do為容器罐的壁厚，Vo為罐壁材料的縱波波速)，激勵信號的重復(fù)周期T1應(yīng)滿足T1≥2hm/V1，式中hm為罐內(nèi)流體的最大高度，V1為罐內(nèi)液體的縱波波速。


圖1是超聲波液位測量技術(shù)示意圖。
圖2是超聲波液位測量系統(tǒng)組成原理框圖；圖3是Burst信號波形的示意圖。
高性能Burst信號源是本發(fā)明的重要組成部分。發(fā)射頻率、Burst波數(shù)、輸出幅度以及觸發(fā)時刻完全由MPU控制。Burst信號源(若干個正弦波脈沖信號)的波形如圖3所示。圖中，To為激勵信號的周期，fo＝1/To為激勵信號的頻率，fo近視等于探頭的諧振頻率，并滿足罐的壁厚透射共振條件do＝Vo/2fo，式中do為容器罐2的壁厚，Vo為罐壁材料的縱波速度。Burst信號源由壓控振蕩器VCO、可程控有源濾波器BPF、可程控放大器BGA以及互補(bǔ)功率放大器等組成，并且能在超聲回波接收期間完全“靜噪”。
在MPU控制下，測量系統(tǒng)以兩種模式運(yùn)行(1)掃描模式。將發(fā)射強(qiáng)度設(shè)定為中等，接收BGA寬帶放大器的增益為最小值，為比較器提供門檻電平的多路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC與比較器配合，檢測并通過調(diào)節(jié)接收BGA寬帶放大器以及Burst信號源BGA放大器使超聲回波串包絡(luò)幅度至極限值的75％左右。然后，不斷降低比較器門檻電平，使時間檢測的觸發(fā)時刻不斷按周期性前移，到被初始波(首波)觸發(fā)后，再降低門檻電平直至被非周期的噪聲觸發(fā)，確定最佳門檻電平和檢測時間提前量并鎖定。正常情況下，掃描模式可在50～250次發(fā)射接收循環(huán)中完成。
(2)鎖定模式。根據(jù)容器內(nèi)液面1不會突變的特點(diǎn)，經(jīng)掃描模式將系統(tǒng)的控制參數(shù)鎖定在比較器正好被首波觸發(fā)，時間誤差≤周期/4，經(jīng)系統(tǒng)刻度換算成液位的測量誤差≤波長/8。用另外幾個發(fā)射接收循環(huán)微調(diào)發(fā)射頻率和BGA以保證最佳信噪比。當(dāng)因某種原因造成對首波的跟蹤測量丟失時(反映為測量結(jié)果的異常跳變)，系統(tǒng)自動進(jìn)入掃描模式以便重新鎖定超聲回波的首波。
時間測量由MPU內(nèi)部的定時器完成。定時器由發(fā)射觸發(fā)命令啟動并由被比較器觸發(fā)的中斷結(jié)束，測量結(jié)果以模擬和數(shù)字方式發(fā)往遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
由于探頭和測試儀器均置于容器的底部，因此測試儀器易于安裝和調(diào)試并且防爆性能好。
本發(fā)明的技術(shù)指標(biāo)可達(dá)(1)容器壁厚5～30mm；(2)可測液位0.3～10m(水，輕油)；(3)響應(yīng)時間掃描模式≤10秒，鎖定模式≤0.2秒；(4)功耗≤5瓦。
由于探頭和測試儀器3均置于容器2的底部，因此測試儀器易于安裝和調(diào)試并且防爆性能好，長期自動運(yùn)行，除系統(tǒng)刻度外無須人工干預(yù)。
權(quán)利要求
一種利用半波透射原理的超聲脈沖反射法測量高壓密封油灌內(nèi)液位的方法，其特征在于，把超聲波探頭的輻射面直接耦合于油罐的底部，且探頭工作在自發(fā)自收狀態(tài)，由MPU控制Burst超聲信號源的發(fā)射頻率、Burst波數(shù)、輸出幅度以及觸發(fā)時刻、多路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC、寬頻放大器及比較器，在探頭上加Burst信號，Burst信號的頻率滿足罐壁半波共振條件，依靠液面反射波的到達(dá)時間來確定液面位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種油灌液位自動測量方法,它是利用半波透射原理的超聲脈沖反射法,把超聲波探頭的輻射面直接耦合于油灌底部,且在探頭上加Burst信號,工作在自發(fā)自收狀態(tài),發(fā)射頻率、Burst波數(shù)、輸出幅度以及觸發(fā)時刻完全由MPU控制。依靠測量液面反射波的到達(dá)時間來確定液面的位置。其特點(diǎn)是探頭和測試儀器均安裝在容器罐的底部,易于安裝、調(diào)試和校驗(yàn),體積小,成本低,防爆性能好。
文檔編號G01F23/296GK1250154SQ9912142
公開日2000年4月12日 申請日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月30日
發(fā)明者鞠曉東, 喬文孝, 杜光升, 王新峰 申請人:石油大學(xué)(華東)