[发明专利]一种高精度的外贴式超声液位计

说明书

技术领域：

本发明涉及一种利用超声波技术采用外贴式安装实现储罐液位的精确计量仪器。

背景技术：

当前国内国际的超声液位计主要有空气声和液体声两大类，其中空气声液位计有安装简便、应用广泛等特点，但由于超声波在空气中的衰减会随着频率的升高而增加，同时由于超声波在空气中易受干扰，因此很难利用空气声液位计实现高精度的计量要求。液体声液位计接触液体，声波在液体中传播，排除了超声波在空气中易受干扰的情况，大大降低了其受干扰程度；但由于其需要接触液体，对安装工艺有很大的要求，而且其回波波形变化比较大，仪器在进行信号分析时容易受到较大影响，因此目前能见到的大部分的超声液位计的精度都不高。而在一些特殊的应用场合，如油罐车的油品交接计量中，因为油罐车在运输过程中油料受温度升高而发生膨胀，油品的温度膨胀系数约为10^-3/℃，对于一个容积在2万升以上、罐高在1.5米的油罐来说，温度每升高一度都将使得罐内的液高有几毫米的变化，为了能够实现油罐准确测量的目的，就需要用到精度在0.1mm量级的测量仪器。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用超声波技术采用外贴式安装方式实现罐内液位精确测量的仪器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

首先确定采用液体声的测量方式，既可以有效去除环境干扰，又可以根据具体应用环境进行最佳声波频率选择，保证仪器可达到一个较优的工作状态，其次是要选择合适的硬件，如处理单元的处理时间，保证仪器所采用的时差法计算能够满足高精度的要求，最后，也是整个工作的关键部分，在进行计算时必须保证不会丢波，即要准确找到首波位置，在方案设计时采用了闭环控制电路实现。

安装在罐外底部的仪器通过单片机处理系统产生固定频率的超声波，驱动USERM模块去推动超声换能器发出超声波，超声波在透过钢体后在液体中传播，在到达液体与空气的分界面上发生反射，仪器根据接收到的声波的时间与发射时的时间产生时间差进行罐内液位高度的计算测量。在计算时通过闭环控制电路的调整确保计算时是回波的首波信号以提高整个测量的精度。同时通过仪器内的温度传感器实时检测当前液体中的声速，进行必要的温度补偿修正，使整个仪器的测量能够达到0.1mm的精度。

附图说明：

图1是仪器在现场的安装方式，罐的底部即为仪器的标示；

图2是整个发明的硬件组成结构框图，其中USERM模块是采用科林声(北京)科技有限责任公司自行研制生产的标准超声波脉冲收发模块；

图3是整个仪器的软件实现流程图。

具体实施方式：

本发明的高精度外贴式超声液位计，其较佳的具体实施方式是：

在超声换能器的选择方面，采用中国科学院声学所提供了一种超声波换能器，该换能器具有很好的稳定性、很高的信噪比以及很适合的阻抗匹配，完全能实现我们设计的需求。该换能器可用于外贴测量，即发出的超声波穿透罐壁进入液体，而不是直接接触液体。这样既有效避免了罐内环境对仪器的影响，又简化了安装条件。

在换能器的驱动和接收部分，我们是以科林声(北京)科技有限责任公司开发研制的USERM-5317B模块作为超声波发射接收模块来实现。该模块是一个由脉冲功率发射电路和信号接收滤波放大电路高度集成的超声应用模块。该模块的脉冲功率发射电路主要集成了超声传感器的前置功率放大驱动电路，它与匹配变压器相连后可直接驱动超声换能器产生2MHz以下频率的超声波。其输出脉冲功率最高可达300W，输出阻抗为25mΩ，并且其输出功率可调，能够适应不同的应用环境。其接收部分电路主要提供的对接收到的信号进行滤波放大，可根据不同的应用需要调整接收部分的滤波频带和放大倍数，它的输入噪声在输入信号频率为500kHz的时候可低至50uV，对于接收信号特别微弱的应用场合，如本仪器用于外贴式安装实现仪器精确测量的应用要求。

在信号处理和计算方面，我们选取了C8051F360作为中央智能处理器。该处理器内部集成了A/D转换、D/A转换，能够满足闭环控制的硬件需求，该器件的工作频率最大为100MHz，相当于其机器周期为10ns，用此款单片机可达到的测量精度为10ns*1500m/s/2＝0.007mm，完全能满足0.01mm的分辨率要求。