1  外貼超聲波液位開關的總體設計方案

　　

　　該新型智能外貼超聲波液位開關設計包括硬件設計、軟件設計、儀表結構設計3個部分，為了提高儀表的可靠性，設計了4個測量探頭，該儀表的測量結構示意圖如圖1所示。該儀表利用超聲波檢測技術，檢測罐內液位是否到達所設定的報警位置。其原理是通過激勵超聲波傳感器發射超聲波，超聲波信號通過罐壁射入罐內，由于罐內液體與空氣存在巨大的聲阻抗差異，使得兩種介質對超聲波能量的吸收也存在巨大差異，因此，傳感器接收到的罐壁反射能量會有明顯的強弱區別，利用上述原理，通過檢測接收到的超聲波信號能量或幅度的不同，實現準確判斷液位是否到達，通過繼電器輸出實現液位控制。
 

圖1  1-液位開關主機  2-高位校準探頭 3-高位測量探頭 4-低位測量探頭 5-低位校準探頭  Fig. 1  1-level switch host   2-High position calibration probe   3-high level probe  4-low level probe   5-low position calibration probe

　　

　　2  硬件電路設計

　　

　　2.1 控制器設計

　　

　　本儀表采用Cygnal公司的混合信號C8051F04系統級單片機，該MCU通過對內核中斷系統的擴展，可向CIP-51提供20個中斷源，允許大量的模擬和數字外設中斷微控制器，芯片上有1個12位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準，1個32kB的FLASH存儲器，峰值速度可達25MIPS，并且還有硬件實現的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，非常適合本系統控制器的設計要求。

　　

　　2.2超聲波發射與接收電路

　　

　　超聲波發射發射與接收電路通過單片機C8051F040控制實現的，超聲波發射電路通過單片機產生發射脈沖觸發發射電路，通過外貼的發射探頭產生超聲波信號；超聲波接收模塊主要由接收電路組成，用于實現超聲回波脈沖信號的接收和處理，接收探頭將超聲轉化為電信號，超聲信號在傳輸過程中會出現明顯衰減，因此，接收電路將探頭接收的微弱信號進行放大整形，為了提高儀表性能，本系統換能器的發射與接收采用同一個換能器的測量方案。

　　

　　2.3 液晶顯示模塊及其他電路

　　

　　液晶顯示模塊由1塊HGS12864液晶組成，本液晶采用4行，每行8個漢字16個數字的顯示方式顯示測量結果，本顯示模塊在實時顯示測量結果的同時還承擔自校準顯示菜單與儀表參數調試菜單的功能，本系統設計共顯示68個界面的菜單內容，包含了儀表的實時測量結果與調試的所有菜單與圖形界面；該設計具有良好的交互界面和完善的交互性能。

　　

　　3 軟件設計

　　

　　為了能夠實現高精度液位開關的功能，本系統軟件設計采用模塊化的設計方案，系統軟件包括主程序模塊、超聲波信號產生模塊，超聲波信號接收模塊、信號處理模塊、顯示模塊、調試模塊、自校準模塊、控制模塊，系統軟件設計是在Silicon Laboratories IDE的軟件環境中通過C語言進行程序設計。

　　

　　4 超聲液位開關的比較及本公司超聲液位開關的特點及應用

　　

　　4.1國內典型外貼超聲波開關的特點

　　

　　國內生產的超聲液位開關主要有單、雙探頭超聲波液位開關。單探頭液位開關的特點表現在：①需要進行現場標定。由于超聲透射信號的大小和罐壁的材質、罐內介質、溫度等有關，因此，在現場實際安裝使用過程中，需要根據現場的實際工況(如針對不同的罐壁材質、罐內介質、溫度)進行有液無液的標定，經過一段時間使用后，還要定期校準，增加了維護成本。②調試復雜。由于采用單探頭，無法進行自動校準，需要現場調試和標定，因此操作相對復雜，需要專業人員操作。③在工況條件變化范圍較大時容易產生誤判。由于液位開關標定后，判據或門檻值在使用過程中是不變的，因此，在實測工況和標定工況的差別較大時，容易產生誤判。雙探頭外貼超聲波液位開關的特點表現在：①需要進行現場標定。由于超聲透射信號的大小和罐壁的材質、罐內介質、溫度等有關，因此，在現場實際安裝使用過程中，需要根據現場的實際工況(如針對不同的管壁材質、罐內介質、溫度)進行有液無液的標定。經過一段時間使用后，還要定期校準，增加了維護成本。②在工況條件變化范圍較大時容易產生誤判。由于液位開關標定后，判據或門檻值在使用過程中是不變的，因此，在實測工況和標定工況的差別較大時，容易產生誤判。③安裝復雜。雙探頭外貼超聲波液位開關為傳感器一發一收，如果罐壁中間有焊縫，超聲波信號無法傳輸，開關在安裝時要避開儲罐焊縫。特別是有保溫層的儲罐，避開焊縫比較困難。④信號線不能增減。

　　

　　4．2 迅創科技生產的新型智能外貼超聲波液位開關的特點及技術優勢

　　

　　①具有自校準功能：在針對液位開關在實測工況和標定工況的差別較大時，容易產生誤判、漏判的情況，本公司生產的新型智能外貼超聲波液位開關增加一個校準探頭作為標準信

　　

　　號，利用測量探頭與校準探頭進行實時比較，進行儀表的自校準調整，實現自校準功能，杜絕誤報。

　　

　　②具有自診斷功能，故障代碼顯示功能：新型智能外貼超聲波液位開關如出現探頭脫落、探頭耦合程度不良、連接線纜斷路等故障，這些故障會導致換能器信號發生變化，本液位開關可通過自診斷功能判斷故障原因，顯示并輸出故障代碼及報警信號，及時通知用戶維護、修理，且故障期間不誤動作。

　　

　　③采用超聲波高頻技術，儀表抗干擾能力強。新型智能外貼超聲波液位開關采用的高頻超聲波技術，高頻發出的波形屬于短波，通常現場的干擾波形屬于長波，這樣就提高了液位開關的抗干擾能力。

　　

　　④ 紅外線遙控調試，符合防爆規范。本儀表配備了不用開蓋就可以實現紅外調試的紅外遙控器，通過紅外遙控器可以實現菜單選擇與參數調試功能，現場調試安全、方便。

　　

　　4．3 國內外外貼超聲波液位開關分類和功能比較

探頭形式	雙探頭	單探頭	迅創單探頭
聲波頻率	低頻（150KHz~200KHz）	低頻（150KHz~200KHz）	高頻（2.5MHz~5.0MHz）
測量原理	超聲波折射透射原理，儲罐有液，接收信號弱，無液則接收信號強。	超聲波直射透射原理，儲罐有液，接收信號弱，無液則接收信號強。	超聲波直射透射原理，儲罐有液，接收信號弱，無液則接收信號強。
安裝影響	安裝位置需避開焊縫，表面需打磨。	安裝位置無要求，表面需打磨。	安裝位置無要求，表面無需打磨。
校準方式	固定閾值，安裝時需人工校準，運行后也需定期人工校準。	固定閾值，安裝時需人工校準，運行后也需人工定期校準。	安裝時和運行后都通過校準探頭自動校準，無需人工校準。
調試方式	磁力筆	磁力筆	紅外遙控器
失效模式	無法判斷	無法判斷	就地顯示和485通訊傳輸故障代碼
顯示	LED或LCD	LED或LCD	OLED中文菜單
測量點數	1個	1個	1~2個

　　4．4 新型智能外貼超聲波液位開關的應用

　　

　　外貼超聲波液位開關的典型應用主要體現在用于不能開孔測量的儲罐工況，以及危化品儲罐液位安全控制的工況，適用于碳鋼、不銹鋼、塑料、玻璃鋼等密實材料的罐體，采用磁鐵吸附、膠粘形式安裝傳感器，安裝方便，維護簡單而且維護工作量很小，節省人力、物力，產品使用安全，性能穩定，新型智能外貼超聲波液位開關是江蘇迅創科技有限公司采用最新的超聲波技術實現液位開關的第三代產品，是真正意義上的多功能、智能化產品。

　　

　　5、結論：

　　

　　危化品儲罐儲存的都是易燃、易爆、有毒、腐蝕性液體，儲罐不易開孔，特別是危化品儲罐液位控制安全改造，更不方便清罐和開孔，外貼超聲波液位開關作為液位控制的關鍵部件，具有其獨特的特點與優勢，是危化品儲罐液位開關的首選。通過江蘇迅創科技生產公司的新型智能外貼超聲波液位開關在危化品儲罐液位控制的大量的應用實踐證明：該產品性能穩定，功能齊全，維護量小，完全杜絕誤報發生，可以用于危化品儲罐液位控制。