专利名称：一种高精度的外贴式超声液位计的制作方法
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/°c，对于一个容积在2万升以上、罐高在I. 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. Imm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�？槿ネ贫荒芷鞣⒊龀ǎㄔ谕腹痔搴笤谝禾逯写ィ诘酱镆禾逵肟掌姆纸缑嫔戏⑸瓷洌瞧鞲萁邮盏降纳ǖ氖奔溆敕⑸涫钡氖奔洳奔洳罱泄弈谝何桓叨鹊募扑悴饬�。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. Imm的精度。
图I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�？槭遣捎每屏稚�(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。
具体实施例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�？樽魑ǚ⑸浣邮漳？槔词迪�。该�？槭且桓鲇陕龀骞β史⑸涞缏泛托藕沤邮章瞬ǚ糯蟮缏犯叨燃傻某τ媚？�。该�？榈穆龀骞β史⑸涞缏分饕闪顺衅鞯那爸霉β史糯笄缏罚肫ヅ浔溲蛊飨嗔罂芍苯忧荒芷鞑�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25mQ，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. Olmm的分辨率要求。软件设计的主要部分就是发射驱动方波部分、采集回波信号部分以及闭环反馈控制。其中发射方波部分是利用I/O 口的电平跳变来产生数个方波用以驱动USERM-5317B�？椴⑸洳ǎ梅⑸洳ň溲蛊鞣糯笾缶沙荒芷髯怀沙ǚ⑸涑鋈ィ倍ㄊ逼骺技剖�。然后就是等待时间，等超声波遇到液面反射回来之后进行采集。回波信号采集部分是对超声波的回波信号进行采集，并记录下相对应的时间值。闭环反馈控制是整个软件设计中的重点，也是保证精度的一种必要手段。根据A/D采集信号幅值的大�。üテ腎/O 口的电平来控制放大器输入信号的衰减程度而控制信号放大倍数的大�。佣狗糯笃魇涑鲂藕偶唇氡冉掀鞯缏返男藕挪换峁蠡蛘吖。佣纬杀栈贩蠢】刂疲庇孟辔徊杉姆椒ǎ９娌杉椒ǖ�1/4波长(90度)范围的误差缩减到以度为单位，实现仪器的准确测量。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种外贴式高精度超声液位计，其特征在于，首先仪器直接外贴于储罐的底部实现罐内液位的计量。
2.一种实现权利要求I所述的外贴式高精度超声液位计，其特征在于，该仪器利用不同的频率范围实现不同壁厚的储罐的液位计量，频率覆盖范围从20kHz 2MHz。
3.一种实现权利要求I所述的外贴式高精度超声液位计，其特征在于，该仪器利用主动发射超声波，超声波在液体中传播，在分层液体面之间或是液体与空气分层面上发生反射，仪器对回波信号进行分析，根据回波与发射波的时间差计算储罐内液体的高度。
4.一种实现权利要求3所述的外贴式高精度超声液位计，其特征在于，该仪器利用闭环控制电路自动适应不同液位高度时的超声回波信号，实现仪器的精确计量。
5.一种实现权利要求3所述的外贴式高精度超声液位计，其特征在于，该仪器利用相位检测的方法，使超声波回波检测从原来的只能90度的精度提高到几度的精度，实现了仪器的精确计量。
6.一种实现权利要求3所述的外贴式高精度超声液位计，其特征在于，该仪器利用实时的温度测量方式实现声速的实时补偿，实现仪器的高精度计量。
7.一种实现权利要求3所述的外贴式高精度超声液位计，其特征在于，该仪器完成超声波的发射、回波信号的接收、信号处理计算，最后将处理后的数据通过串口或是485接口输出，如果是单一液位也可以直接通过4 20mA接口方式输出。
全文摘要
本发明公开了一种高精度的外贴式超声液位计，仪器在安装时外贴在储罐底部中心位置，即可以实现罐体内液位的计量。仪器采用超声波回波时差法技术，采用最新的硬件电路和信号分析方法，实现了精度可以达到0.1mm量级的储罐液位计量。
文档编号G01F23/296GK102735314SQ201110094658
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者孙清源, 李大珍, 耿汉武 申请人:科林声(北京)科技有限责任公司
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