（机械设计及理论专业论文）复杂容器中强腐蚀性液体液位检测装置的研制.pdf

北京邮电大学硕卜研究生论文2 0 0 4 复杂容器中强腐蚀性液体液位检测装置的研制 摘要 在化工行业中，液位检测是一个重要的课题，同时也是一个难题。 兰州石化公司在2 0 0 2 年与北京邮电大学自动化学院签订合同，进行复杂 容器中强腐蚀性液体液位检测装置的研制。该课题的主要目的是解决一 个液位检测技术上的难题：在带搅拌的锥底罐中的液位测量，测量的难 点还在于被测液体具有高温、强腐蚀性、易沉淀的特性。这些特性对液 位检测装置的影响很大。 分析比较了多种液位检测装置后，选择了两种能适应现场环境的液 位检测装置：超声波液位计和电容液位计。根据现场的实际情况提出了 分段测量的思路：当液位处于罐子锥底部分时，由电容液位计来测量； 当液位处于罐子的圆柱体部分时，由超声波液位计来测量。为了将两路 信号进行融合处理，增加了一个控制电路。超声波液位计、电容液位计 和控制电路的有机组合构成了新型的超声波一电容液位检测装置。 在检测装置的设计中体现了以下几个创新点： 1 提出了分段测量的思路； 2 提出了将两种不同的液位计组合使用的思路； 3 提出了将电容液位计倾斜安装的新思路； 4 设计了电容液位计的标定算法。 该装置发挥了超声波液位计和电容液位计的优点，解决了一个多年 没能解决的液位测量的难题。超声波一电容液位检测装置在现场验收时 误差为o 9 3 ，具有较高的精度。 在检测装置通过验收后进行了一些改进设计。根据分段测量的思路 设计了双电容液位检测装置，即用电容液位计取代原来的超声波液位计。 在双电容液位检测装置的基础上，又设计了单电容液位检测装置，即用 一个电容液位计来完成两个电容液位计的测量工作。单电容液位检测装 置设计思路新颖、安装简单、成本低，具有很好的推广价值。 为了提高原装置的a d 、d a 的转换精度，设计了1 2 位的a d 、d a 转换电路和程序。为了检验超声波和电容液位计是否正常工作，设计了 北京邮电人学硕i ： i j f 究生论义2 0 0 4 差错检测程序。为了在没有d c s 系统的场合远程控制现场作业，设计了 一个简单的串行通信程序，并编制了p c 机上的显示、控制程序。 超声波一电容液位检测装置具有使用简单、可靠性高、精度高、成 本低的特点，具有很好的可移植性。如果使用不同特性的超声波液位计 和电容液位计，该装置可以适应不同的工作环境，具有较大的推广价值a 关键词：超声波电容液位液位计测量 ! ! 塞业! ! 查兰竺! ：型垄竺丝兰! ! ! ! d e v e l o p m e n t o fl e v e lm e t e ro n c o r r o d e n t l i q u i d i n c o m p l i c a t e d c o n t a i n e r a b s t r a c t i nt h ec h e m i c a l e n g i n e e r i n gp r o f e s s i o n ，l e v e lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei s a n i m p o r t a n tl e s s o n ，a l s oi sah a r d1 e s s o n t h el a n z h o up e t r o c h e m i c a l c o m p a n ys i g n e d w i t hb e i j i n g u n i v e r s i t yo fp o s t sa n d t e l e c o m m u n i c a t i o n s a u t o m a t i o ns c h o o lt h ec o n t r a c ti n2 0 0 2 ：p r o c e e dt h e1 e v e lm e a s u r e m e n to nt h e l i q u i d sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co f h e a t a n dl i ee a s i l y t h em a i n p u r p o s e o f t h e l e s s o ni st os o l v et h eh a r d l e s s o n ：m e a s u r i n gt h el i q u i di nt h eb o t t l et h a th a v e t h e a g i t a t i o n ，w h a t m a k et h em e a s u r e m e n th a r di st h a tt h el i q u i dh a v et h e c h a r a c t e r i s t i co f h e a t ，s t r o n gc a u s t i c i t y ，e a s i l yt ol i e t h i sc h a r a c t e r i s t i c s ei s v e r yd i s a d v a n t a g e o u s t ol e v e lm e a s u r e m e n t a f t e rc o m p a r i n gv a r i o u s1 e v e lm e a s u r e t e c h n i q u e f i n dt w ok i n d so fl e v e l m e t e r ：t h eu l t r a s o n i cl e v e lm e t e ra n dc a p a c i t a n c ei e v e lm e t e r p u tf o r w a r dt h e t h i n k i n gf o rm e a s u r i n ga c c o r d i n g t ot h ec i r c u m s t a n c eo f t h e s p o t ：r e c a s t ，r et h e l e v e lw i t hu l t r a s o n i cl e v e lm e t e rw h e nl i q u i di nt h eb o t t o mo ft h eb o t t l e m e a s u r et h e1 e v e lw i t hc a p a c i t a n c el e v e lm e t e rw h e nl i q u i di nt h em i d d l eo f t h eb o t t l r e i no r d e rt op r o c e e dt w os i g n a l s i n c r e a s eac o n t r 0 1e l e c t r i cc i r c u i t t h eu l t r a s o n i cl e v e lm e t e ra n dc a p a c i t a n c el e v e lm e t e ra n dc o n t r o l i n ge l e c t r i c c i r c u i tc o m b i n et h eu l t r a s o n i c - - c a p a c i t a n c el e v e lm e t e r t h ed e s i g nh a ss o m e c r e a t i v e p o i n t s ： 1 p u tf o r w a r da t h i n k i n g o fs u b s e c t i o nm e a s u r e m e n t ； 2 p u tf o r w a r da t h i n k i n g o f c o m b i n i n g t w ok i n d so fd i f f e r e n tl e v e lm e t e r ； 3 p u tf o r w a r da t h i n k i n g o f i n s t a l l i n gc a p a c i t a n c e l e v e lm e t e r i n c l i n a t e d ； 4 d e s i g nt h ec a l c u l a t ew a y t ot h ec a p a c i t a n c el e v e lm e t e r t h e1 e v e lm e t e rs y n t h e s i z et h ea d v a n t a g eo fu l t r a s o n i cl e v e lm e t e ra n d i i c a p a c i t a n c el e v e lm e t e r ，s o l v e dt h eh a r dl e s s o ni nl e v e lm e a s u r e m e n tt h a t h a v en o ts o l v e df o r m a n yy e a r s t h eu l t r a s o n i c - - c a p a c i t a n c el e v e lm e t e rh a v e e r r o ro f0 9 3 o nt h es p o t a f t e rt h el e v e lm e t e r p a s s e d t h ec h e c kw ed i ds o m e i m p r o v e m e n t d e s i g n a c c o r d i n g t ot h et h i n k i n go f c o m b i n i n g t w ok i n d so fl e v e lm e t e rw e d e s i g n t w o c a p a c i t a n c el e v e lm e t e r ，t h a ti st os a yr e p l a c et h eu l t r a s o n i cl e v e l m e t e rw i t h c a p a c i t a n c e l e v e lm e t e r o nt h eb a s eo ft w o c a p a c i t a n c el e v e lm e t e r d e s i g n e d a s i n g l ec a p a c i t a n c el e v e lm e t e r ，o n l yu s eac a p a c i t a n c el e v e lm e t e r t oc o m p l e t et w o c a p a c i t a n c el e v e lm e t e r s w o r k t h es i n g l ec a p a c i t a n c el e v e l m e t e rh a v ea l lt h et h i n k i n go f t h e o r i g i n a le q u i p m e n t t oi n c r e a s et h ec o n v e r s i o n a c c u r a c yo f t h ea d 、d a w ed e s i g n e d1 2 b i to fa d 、d ac o n v e r s i o ne l e c t r i cc i r c u i t t or e a l i z em i s t a k ea u t o m a t i c e x a m i n e d ，d e s i g n e d t h em i s t a k ee x a m i n a t i o n p r o g r a m m e f o rl e v e lm e t e r t o c o n t r o lt h es p o th o m e w o r kt h a th a v en ot h es y s t e mo f d c s d e s i g n e d a s i m p l e 2 3 2 c o r r e s p o n d e n c ep r o c e d u r e ，a n d e s t a b l i s ht h em a n i f e s t a t i o n 、c o n t r o l i n t e r f a c eo np c t h e u l t r a s o n i c - - c a p a c i t a n c el e v e lm e t e r h a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f u s a g e s i m p l e ，h i g hd e p e n d a b l e ，h i g ha c c u r a c y ，l o w c h a r a c t e r i s t i c si nc o s t b y u s i n g d i f f e r e n tu l t r a s o n i cl e v e lm e t e ra n d c a p a c i t a n c el e v e lm e t e r ，i tc a na d a p t t o o t h e rw o r k e n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r e i th a st h ev e r yb i g e x p a n s i o n v a l u e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c c a p a c i t a n c e l e v e ll e v e lm e t e rm e a s u r e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一尉工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位沦文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：姐垫堡日期：星! 噬三：兰鱼 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盔垦垫援 日期：兰! ! 生三。羔垒 导师签名：墨丝丝 同期：鲨望：三：玉皇 北京邮电大学碳i j 研究生论义2 0 0 4 1 1 引言 第一章绪论 液位检测是种古老的技术。在古代人们目测或用简单的工具来测液位。这些液位 测试技术精度低并占用很多人力。近几十年来，随着对生产自动化要求的不断提高， 对液位检测的要求也越来越高，智能化的液位检测技术也不断涌现。现在有很多性能 优良的液位检测装置，但各种液位检测技术都有其适用性，即使是最先进的液位检测 装置也不能在任何场合安装使用。所以在某些特定场合要选择特定的液位检测技术。 由此造成了液位检测技术的多样性。 1 2 国内外液位检测技术发展现状 随着对生产自动化要求的不断提高，高性能的液位检测装置也越来越受到重视。 近几十年来，人们设计了很多液位检测装置：如雷达液位计、超声波液位计、电容液 位计、压力液位计、磁致伸缩式液位计、核射式液位计、激光液位计掣1 】【2 】 ：l 4 1 【5 = 【6 】【”。 不同的液位计适用于不同的场合。下面简单介绍几种较常用的液位检测技术。 1 吹气法测液位 下图是吹气法测液位的原理图。 图1 1 吹气法测液位原理图 图中，1 为过滤器，2 为减压阀，3 为节流元件，4 为转子流量计，5 为变送器。 因吹气管内压力近似等于液柱的静压力，故p = pg h 。式中，p 为液体密度，g 为重力 北京邮电人学坝 。研究生论义2 0 0 4 加速度，h 为液位，由p 可求得液位高度h 。吹气法适用于测量腐蚀性强、有悬浊物的 液体，主要应用在测量精度要求不高的场合旧。 2 雷达测液位 雷达液位计的示意图如图1 2 所示。 主机 安装祛兰 喇叭型 图l 一2 雷达液位计示意图 雷达液位计通过喇叭型天线向外发射电磁波，电磁波的波束角很小，指向性很强， 适合安装在狭窄的空间。雷达波的传播不需要介质，不受温度和蒸气的影响，因此雷 达液位计的适用范围很大i n 1 2 1 。 3 超声波测液位 超声波液位计的示意图如图i 一3 所示。 图1 3 一体化超声波液位计示意图 北京邮电人学硼【，研究生论义2 0 0 4 超声波液位计的特性类似于雷达液位计。它通过换能器向外发射超声波，声波遇 被测物体被反射折回，根据声波运动的时间可求得换能器到被测物体的距离1 1 4 1 。 超声波传播衰减小 ，界面反射信号强，且发射和接收电路简单，因而应用较为广泛 1 1 7 。 4 电容测液位 电容液位计示意图如图1 4 所示。 图1 4 电容液位计示意图 电容液位计适合安装在菲常狭窄的空间，只要有直径1 0 厘米的空间，就可以安 装使用。在这一点上，它的性能优于雷达液位计。电容液位计价格较低，安装简单， 可用于高温、高压、强酸、强碱的场合1 1 9 j 。 5 。称重法测液位 下图是称重传感器的外观图。 图1 5 称重传感器的外观图 北京帅t 乜大学坝l 研究生地义2 0 0 4 称重传感器安装在容器的底部，容器的重力都作用在传感器上。当液位在罐内上 升或下降时，罐内液体的体积必然随之发生变化，山此引起其重量的变化。称重传感 器根据罐子以及罐内液体总重量的变化就能反向推算出罐内液体的高度1 2 0 1 。 6 激光测液位 激光测液位的系统原理框图如图1 6 所示，系统由光路部分和电路部分组成， 两者之间用传输光纤连接。反射光分成两路，一路光从容器顶部反射( 内光路1 ，作为 比较的基准信号，另一路光从液面处反射( 外光路) ，作为测距信号【2 1 1 1 2 2 l 。已知容器高 度h ，若测出液面到容器顶部的罐空高度s ，则待测液面高度h - - - - h s 。 塑垄笪h 望垫h 塑型h 圭塑f 斟i 型茎堕翌 芸鬻一 光电接收管2f 叫低噪放大卜+ h j 吵裂嵯r蒯嗡 相位检测电路 键盘l 呻- 微处理器电路卜_ 显示 图i 一6 激光测液住原理图 7 差压法测液位 下图是差压法测液位的原理图。 图1 7 差压法测液位原理图 图中，l 、2 为阀门，3 为变送器。设管道i 中的压力为p i ，管道2 中的压力为 p 2 ，压力差及液位的关系为p = p 2 p i = pg h 。式中，p 为液体密度，g 为重力加速 度，h 为液位，由p 可求得液位高度h 。差压法适用于测量腐蚀性强、有悬浊物的 液体 2 3 】。 4 ! ! 璺! ! ! ! ! ! ! 查兰竺! ：竺型圭笙兰! ! ! ! 现在的液位检测技术种类繁多，应用的关键是根据工作环境选择合适的液位计。 1 3 本文研究的对象及主要工作 在石化企业中，液位检测是个重要的课题而且是个难题。兰州石油炼化总公司是 一家大型的石化企业。在经过多年的试验后，该公司还有一些液位检测的难题解决不 了，2 0 0 2 年1 2 月与北京邮电大学自动化学院签订合同，进行复杂容器中强腐蚀性液 体液位检测装置的研制。这个合同着力于解决一个难题：在带搅拌的锥底罐中的液位 测量。这个课题的难点还在于罐中的液体具有高温、强腐蚀性、易沉淀的特性。 合同规定先在石化公司催化剂分厂的晶化罐上试验超声波一电容液位检测装置。 超声波一电容液位检测装置是专门为晶化罐设计的，在装置的设计中体现了以下几个 创新点： 1 提出了分段测量的思路： 2 提出了将两种不同的液位计组合使用的思路； 3 提出了将电容液位计倾斜安装的新思路： 4 设计了电容液位计的标定算法。 本文主要做了以下工作： t 筛选出了两种适用于晶化罐的液位检测技术：超声波测液位和电容测液位 根据几种液位检测技术在晶化罐上的试验情况，选择了两种适用于晶化罐的液位 检测技术：超声波测液位和电容测液位。并从原理上对这两种液位检测技术在晶化罐 上的可行性进行了分析。 2 设计了一种新型的液位检测装置：超声波一电容液位检测装置 根据实际的工作环境选择了合适的超声波液位计和电容液位计，并且选择了一款 性能稳定的单片机控制电路板。超声波液位计、电容液位计和单片机的有机组台构成 了一种新型的液位检测装置：超声波一电容液位检测装置。当液位处于罐子锥底部分 时，由电容液位计来测量；当液位处于罐子的圆柱体部分时，由超声波液位计来测量。 由单片机对两路信号进行融合处理，并将真实液位信号送入工厂的集散控制系统。 3 设计了检测装置的软件系统 根据软件系统需要实现的功能，制定了工作流程和程序流程图，并设计了d a 转换、中位值滤波、程序判断滤波、a d 转换、l e d 显示等功能模块。 4 对检测装置进行了改进设计 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 4 根据分段测量的思路设计了双电容液位检测装置，即用电容液位计取代原来的超 声波液位计；在双电容液位检测装置的基础上，又设计了单电容液位检测装置，即用 一个电容液位计来完成两个电容液位计的测量工作；为了提高a d 、d a 的转换精度 设计了1 2 位的m d 、o a 转换电路和程序：为了梭验超声波和电容液位计是否正常工 作，设计了差错检测程序：为了使该装置能在没有d c s 系统的环境下应用，设计了串 行通信程序，使p c 机可以远程控制单片机，并通过单片机控制现场作业。经过以上 改进设计，超声波一电容液位检测装置具有更高的精度和可靠性，并能适应更多的工 况，更具有推广价值。 6 第二章液位检测装置方案选择 根据合同规定，超声波电容液位检测装置先在催化剂分厂的晶化罐上进行试 验。下面简单介绍检测装置的工作环境。 2 1 液位检测装置的工作环境 卜幽是催化剂分厂晶化罐结构简图。 图2 1兰州石化公司催化剂分厂晶化罐结构简图 如图所示，晶化罐直径3 8 米，高6 米，其中圆柱体部分高4 ，9 米，锥体部分高1 1 米，锥底与水平面的夹角为3 0 度。晶化罐材质为不锈钢。罐的正中扫是搅拌轴，搅 拌轴上带有三组搅拌叶片，搅拌叶片的直径为1 2 米。 晶化罐内的催化剂长时间保持9 7 度的高温，p h 值为1 2 ，并且容易沉淀。概括的 讲，催化剂溶液是高温、强腐蚀性、易沉淀的浆体。 根据工厂的要求，液位计安装在晶化罐上，实时采集催化剂溶液的液位高变，并 以4 2 0m a 的电流信号来表示该高度值。电流信号接入催化剂分厂的集散控制系统， 由该系统对数据进行采集和处理。 从9 5 年开始，催化剂分厂试验了多种液位测量装置：雷达液位计、压力传感器、 导波雷达等。 2 2 雷达液位计、压力传感器、导波雷达的试验结果 每9 5 年，催化剂分厂最先试验了雷达液位计。雷达液位计承受不了罐内q 7 度的 高温，没用多久就损坏了。 在9 7 年试验了压力传感器。压力传感器安装在罐子的底部，利用液体对传感器 的压力来测量液位高度。鉴于上次的经验，在设计中考虑到了高温的影响，压力传 感器在9 7 度的高温中能正常工作。只是催化剂溶液非常容易沉淀，一般使用几个月 后就会在传感器表面结垢。由于结垢的影响，液体的压力无法传到传感器上，由此 导致传感器失效。如果要使压力传感器正常工作，必须每隔几个月就派工人进入罐 内把传感器表面的结垢敲掉。由于敲击时造成的机械损伤，在使用几年以后，大部 分的压力传感器已经不能再用了。 为了避免液体沉积在传感器上，9 9 年催化剂分厂试验了非接触式测量的导波雷 达。下图是导波雷达的示意图。 图2 2 导渡雷迭结构示意图 导波雷达安装在罐子的顶部，不与催化剂接触，因此不会产生结垢的问题。导波 雷达沿杆式天线向外发射电磁波，电磁波的波束角很小，指向性很强，如选择合适的 安装位置就能避开障碍物的干扰。电磁波的传播不需要介质，不受温度和蒸气的影响。 由以上分析可知，催化剂高温、强腐蚀性、易沉淀的特性不会对导波雷达产生影响2 4 1 。 北京邮电人学碱t ：t o t j f , 生论文2 0 0 4 导波雷达安装在图2 一l 中d 点处，只能测量d - - d 的液位高度。导波雷达在 晶化罐上工作正常，只是成本太高，每套在3 万元左右，不利于推广使用。 属于非接触式测量并且成本比较低的液位计还有超声波液位计。超声波液位计 与导波雷达具有相似的特性，但成本只有导波雷达的一半。下面从理论上分析在晶 化罐上使用超声波测液位的可行性。 2 3 晶化罐上超声波测液位的可行性分析 超声波测液位的工作原理为：高频脉冲声波由换能器发出，遇被测液体表面被反 射折回，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时 间( 声波的运动时间) 与换能器到液体表面的距离成正比1 2 5 】。声波传输距离s 与声 速c 和传输时间t 之间的关系可用公式表示 s = c x t 2式( 2 1 ) 在一定温度的介质中，声速c 是一个己知量，声波传输时间t 可以由换能器记录 下来。由此根据式( 2 1 ) 可以求出换能器到液体表面的距离。根据上面的表述，要 实现超声波测液位需满足以下三个条件： 1 脉冲声波遇被测液体表面能被反射折回； 2 换能器能产生高频脉冲声波； 3 反射回波能被换能器接收，转换成电信号。 首先分析超声波的反射特性。 频率为2 x 1 0 4 到1 0 赫的声波称为超声波。超声波有两个重要的特征量：声压p 和声阻抗z “。 超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强p 与没有超声波存在时同一点的静态 压强n 之差称为声压p 。 声阻抗z = pc ，式中p 是介质的密度，c 是声波在该介质中的传播速度。 在超声波测液位时，波束垂直入射到液面，此时会产生一个与入射波方向相反的 反射波和一个与入射波方向相同的透射波。设空气的声阻抗为z ”被测液体的声阻抗 为z ：。在空气与液体的界面上，用反射声压p ，与入射声压p 。的比值表示声压反射率r ， 即：r = p , p 。 式( 2 2 ) 以透射声压p 。与入射声压p 。的比值表示声压透射率d ， 9 北京邮电大学坝i ：1 0 f 究生论文2 0 0 4 即；d = r p 。式( 2 3 ) 经过推导可得出垂直入射时的声压反射率和透射率： r = p p 。= ( z 。z ) ( z 。+ z ，)式( 2 4 1 d = n p o = 2z , ( z 2 + z ，)式( 2 5 ) 催化剂溶液的声阻抗约为3 x 1 0 6 公斤米2 秒，空气的声阻抗为0 0 0 0 4 x 1 0 6 公斤 米2 秒，根据式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可得超声波垂直入射到空气催化剂界面时的 r 和d ：r 。1 而d o 。这表示，超声波垂直入射到空气催化剂界面时几乎是全反射， 而没有透射。 下面分析超声波的产生和接收特性。 有些单晶和多晶陶瓷材料在应力作用下产生应变时，晶体中就产生极化或电场， 这种效应称为正压电效应。相反地，当晶体处于电场中时，由于极化作用，在晶体中 就产生应变或应力，这种效应称为逆压电效应呓力。利用晶体的压电效应和逆压电效 应可以制成超声波换能器。当一个电脉冲作用到换能器上时，换能器就发射超声脉冲。 反之，当一个超声脉冲作用到换能器上时，换能器就产生一个电脉冲。换能器，再加 上双稳电路、振荡器、放大器等外围电路，就构成了超声波液位计眨剐。下图是超声 波液位计的电路原理图。 超声发射器 超声接收器 显示器 图2 3 超声波液位计电路原理图 根据以上分析可知，超声波液位计只要能承受9 7 度高温就能在晶化罐上正常使 用。通过查阅资料，有几种超声波液位计能承受1 4 5 度的高温。经过理论分析和实际 产品的性能分析，超声波液位计在晶化罐上能正常工作。 与导波雷达类似，由于受安装位置的限制，超声波液位计只能测量液体处于d d 的液位高度。当液位低于d 时，还需要用另外的液位计来测量。分析比较了几种液 北京邮电人学硕j 研究生论文2 0 0 4 位计的性能后，最后选择了电容液位计来测量液体处于锥体部分时的液位高度。 2 4 晶化罐上电容测液位的可行性分析 图2 4 是电容探极的构造示意图。如图所示，1 为金属圆柱体，作为传感器的 一个动电极，其外部包有绝缘层3 ，1 和3 组成液位计的探极，2 为装有导电液体的 金属容器。将探极浸入被测导电液体时，金属圆柱体以绝缘层为介质与周围的导电液 体形成圆柱形电容器【2 9 。设金属圆柱体的直径为d 1 ，绝缘层的外径为d 2 ，由图2 - - 4 可知其电容量为c x = 2 h x l n ( d 2 d 1 ) 式( 2 - - 6 ) 式中：e 一绝缘层的介电常数： h x 一待测液位高度； d 一金属圆柱体直径； d 2 一绝缘层外径。 图2 4 电容传感器探极示意图 被测电容c x 配置图2 5 所示的二极管环形测量桥路，可以得到正比于液位h x 的直流电流信号。 北京邮l u 大学硕i ： i j f 究生论义2 0 0 4 e2 e 1 叫 以 。 上 图2 5 二极管环形测量电桥 环形测量桥路由四只开关二极管d l d 4 ，电感线圈l l 和l 2 ，电容c l 、c 。，被 测电容c x 和调零电容c d 以及电流表m 等组成。 输入脉冲方波加在a 点与地之间，电流表串接在l 2 支路内，c 2 是高频旁路电容。 由于电感线圈对直流信号呈低阻抗，因而直流电流很容易从b 点流经l 2 、电流表至 地( 公共端o 点) ，再由地经l 1 流回a 点。由于l l 和l 2 对高频信号( f 1 0 0 0 k h z ) f f ! 高 阻抗，所以高频方波及电流高频分量均不能通过电感，这样电流表m 可以得到比较 平稳的直流信号。 当输入高频方波由低电平e l 跃到高电平e 2 时，电容c x 和c d 两端电压均由e 】 充电到e 2 。充电电荷一路由a 经d l 到c 点，再经c x 到地；另一路由a 经c 。到b 点，再经d 3 至d 点对c d 充电，此时d 2 和d 4 由于反向偏置而截止。在t l 充电时间 内，由a 点向b 点流动的电荷量为 q l = c d ( e 2 一e 1 ) 式( 2 - - 7 ) 当输入高频脉冲方波由e 2 返回e l 时，电容c x 和c d 均放电。在放电过程中d l 与d 3 因反向偏置而截止，c x 经d 2 、c e 和l l 至o 点放电；c d 经d 4 、l l 至o 点放电。 因而在t 2 放电时间内由b 点流向a 点的电荷量为 q 2 = c x ( e 2 一e i ) 式( 2 - - 8 ) 从上述充、放电过程可知，充电电流和放电电流经过电容c 。时方向相反，所以 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 4 当充电与放电的电流不相等时，电容c 。端产生电位差，在桥路a 及b 两点间有电流 产生，可由电流表m 指示出来。 当液面在电容传感器零位时，调整c d = c x o ，使流经c 。的充放电电流相等，c 。两 端无电位差，a b 两端无直流信号输出，电流表m 指零。当被测电容c x 随液位变化 而变化时，在c x c d 情况下，流经c 。的放电电流大f 充电电流，电容c 。两端产生电 位差并经电流表m 放电，设此时电流方向为正：当c x c d 时，由上述分析可知，在一个充放电周期内( 即t = t j + t z ) ，由b 点流向 a 点的电荷为 q = q 2 - - q l = c x ( e 2 - - e 1 ) 一c d ( e 2 一e 1 ) = ( c x c d ) ( e 2 一e i ) = a c x a e式( 2 9 ) 设方波频率f - 1 厂r ，则流过a 、b 端及电流表m 支路的瞬州电流平均值i 为 i = f q = f a c x a e式( 2 1 0 ) 式中c x 为传感器的电容变化量：ae 为输入方波幅值。 由式( 2 - - 1 0 ) 可以看出：此电路中若高频方波信号频率f 及幅值e 一定时， 流经电流表m 的平均电流i 与c x 成正比，即电流表的电流变化量与待测液位h x 呈线性关系【3 0 】。 探极，再加上侦测回路、放大器、滤波器等后续电路就构成了一个电容液位计9 “。 下图是电容液位计电路原理图。 电流输出 图2 6 电容液位计电路原理图 电容液位计可使用于高温、高压m 3 、强酸、强碱的环境，不受蒸汽、压力、温 度变化影响，适用于多种恶劣的工作环境1 3 3 3 o 在探极上包覆聚四氟乙烯后能防止被 测溶液沾附在探极上。根据以上分析，电容液位计在品化罐上能正常工作。 北京邮电火学硕士研究生论文2 0 0 4 2 5 本章小结 通过分析液位检测装置的工作环境和以前几种液位计的试验情况，初步确定用超 声波液位计测液体处于罐子圆柱体部分时的液位高度，电容液位计测液体处于锥体部 分时的液位高度。随后进行了超声波液位计和电容液位计在晶化罐上测液位的可行性 分析。经过分析可知，超声波液位计和电容液位计在晶化罐上可以f 常工作。 北京邮i b 人学坝i 研究生论文2 0 0 4 第三章超声波一电容液位检测装置硬件设计 3 1 检测装置硬件设计原则 超声波一电容液位检测装置安装示意图如下图所示。 电 图3 1 超声波一电容液位检测装置安装示意图 如图所示，超声波液位计安装在罐子的顶部，超声波波束经过的区域如图中虚线 所示。如果采用小波束角的液位计，超声波波束就可以避开搅拌叶片和其他障碍物。 电容液位计安装在罐子底部，探极与罐底保持平行。以排料口为原点，电容液位计的 测量范围是0 2 1 3 米，超声波液位计的测量范围是0 8 6 米，两个液位计在0 8 1 3 米处有5 0 厘米的重叠测量范围。 当液位处于0 2 1 米时，检测装置输出电容液位计测得的液位高度，当液位处于 l - - 6 米时检测装簧输出超声波液位计测得的液位高度。由单片机对以上过程进行控 制。单片机可安装于工业现场或操作室中，主要完成以下几部分工作：采集电容液位 计和超声波液位计测得的液位高度；对数据进行分析和处理；输出实际液位值。电容 液位计、超声波液位计和单片机的有机组合构成了超声波一电容液位检测装置。 北京帅电人学颂l 。研究生论文2 0 0 4 3 2 超声波液位计的选择、安装、参数设置 3 2 ，1 超声波液位计的选择 根据工作环境，超声波液位计必须满足以下几点： 1 量程大于等于6 米； 2 能承受9 7 度以上的高温。 通过向多个传感器公司咨询，找到了符合以上两个条件的几种液位计。其中一种 是北京瑞普三元公司的一体化超声波液位计u s - - 5 0 5 ，还有一种是西门子公司的分体 式超声波液位计x c t 一1 2 。 表3 一l 和3 - - 2 分别是一体化超声波液位计u s - - 5 0 5 和分体式超声波液位汁x c t 一1 2 的技术参数表。 表3 1 一体化超声波液位计u s 一5 0 5 技术参数b 4 最大量程 8 m 盲区0 4 m 波束角1 2 度 输出信号 4 2 0 m a 负载阻抗m a x s 0 0 欧 分辨率 l m m 测量误差满量程的0 2 5 介质温度一4 0 + 1 0 0 度 环境温度一2 0 + 6 0 度声波频率 4 3 k h z 供电电压d c 2 4 v 防护等级 i p 6 5 表3 - - 2 分体式超声波液位计x c t 一1 2 技术参数 最大量程 1 2 m 盲区0 4 m 波束角6 度输出信号 4 2 0 m a 负载阻抗l a x 5 0 0 欧分辨率 l m m 测量误差满量程的0 2 5 介质温度一4 0 + 1 4 5 度 环境温度一2 0 + 6 5 度声波频率 4 3 k h z 供电电压 d c 2 4 v 防护等级 i p 6 8 分析以上两种液位计的技术参数，可以发现有好多参数是相同的，最关键的 差别在于波束角：u s 一5 0 5 的波束角为1 2 度，x c t 1 2 的波束角仅为6 度。波束角的 定义是：在声波能量减少一半( - - 3 d b ) 处，以换能器轴线为中心的圆锥体的锥角。 波束角大，则声波的发散性强，声波波束覆盖的范围广。如在波束覆盖的范围内 有较大的障碍物存在，则液位计测得的可能是换能器到障碍物的距离，而不是真 实的液位。由以上分析可知，波束角小的液位计，其躲避障碍物的能力优于波束 角大的液位计。 北京邮电大学硕卜研究生论文2 0 0 4 下面计算波束角为0 时，声波波束覆盖的范围。如图3 2 所示：在离换能器远 处，声波波束所形成的圆的直径d 为：d = 2 l s i n ( 口2 ) 。当目为6 度，为5 米时，d = 0 5 2 米。当日为1 2 度，为5 米时，d = 1 0 4 米。 波换能器 卜_ d _ 1 图3 2 波束角为0 时，声波波束覆盖的范围 由上面的计算可以看出，波束角为1 2 度时，声波波束覆盖的范围太大了。要是 在声波波束覆盖的范围内存在障碍物就会影响正常的测量。所以优先考虑波束角小的 超声波液位计x c t 一1 2 。 经过综合比较，x c t 一1 2 的性能优于u s - - 5 0 5 ，所以最后选择了x c t 一1 2 。 x c t - - 1 2 是分体式液位计，由换能器和主机组成。换能器完成声波的发射和接收， 主机给换能器供电，并采集换能器微弱的电信号，进行放大和处理。通过对主机编程 可以使x c t 一1 2 适应多种工况。 下图是x c t 1 2 换能器外观图“。 图3 3x c t 一1 2 换能器外观图 x c t - - 1 2 换能器具有如下特点： 1 换能器具有强劲的发射力，表面可自清洁。由于采用了新的结构和制造工艺，换 北京邮也人学硕i 二研究生论义2 0 0 4 能器有了更高的工作性能： 2 波束角仅为6 度，可用于狭窄的场合： 3 可用于有蒸汽和强腐蚀性的场合，可以承受1 4 5 度的高温；。 下图是x c t 一1 2 主机m u l t i r a n g e r2 0 0 的外观图m 。 图3 4x c t 1 2 主机外观图 x c t 1 2 的主机能同时控制两个换能器，可输出两路4 2 0 m a 电流信号，宅具有 如下特点： 1 微处理器程序控制和智能信号处理技术可实现多种典型工况软件处理模式，主要 适用于各种液体及矿浆液位的测量： 2 红外线遥控编程调节，操作简单可靠，并带有液晶现场显示。 换能器与主机的接线非常简单，如下图所示。 主机的1 号换能器接口 图3 5 换能器与主机的接线 为了保证超声波液位计在测量时不受外界干扰，接线时要保证以下两点： 1 电缆不能敞开敷设，电路附近不能有高电压或大电流的控制驱动器。 北京邮电大学硕卜研究生论文2 0 0 4 2 为了最大限度地与电噪声隔离，电缆必须敷设在接地的会属导管中，且密封所有 的接线口以防止湿气进入。 3 2 2 分体式超声波液位计x c t 一1 2 的安装 选择了合适的液位计后，还需要选择合适的安装方式以确保液位讨。正常工作。安 装时应保证换能器与被测液体之间的超声波束区域内不存在任何障碍物。下面安装图 中左侧的换能器发射的超声波波束与加料料流相交。当罐内开始加料时，声波被加料 料流反射回来，此时超声波液位计无法测得液位高度。所以正确的安装位置应该在罐 子右侧，以确保超声波波束不会与加料料流相交8 ”。 图3 6 超声波换能器错误安装及正确安装示意图 另外，超声波换能器在安装时应满足以下条件： 1 换能器表面与最高液面之间的距离大于盲区距离； 2 安装时应尽可能使换能器的声波发射方向与液体表面垂直： 3 超声波换能器尽量远离被测液体，以免粘附液体： 4 超声波换能器尽量远离振动源，因为换能器在振动时声波的发射方向很难与液面 垂直，而且接收的时候换能器表面也不与反射声波垂直，影响测量精度。 为了满足以上几点，设计了如下图所示的护罩。 北京邮电大学硕卜研究生论文2 0 0 4 图3 7 超声波换能器安装示意图 如图所示：护罩为圆柱体，高5 0 厘米，内径3 0 厘米，其材质为铸铁。护罩焊接 在罐子顶部。超声波换能器用法兰固定在护罩上。换能器表面距罐顶4 0 厘米，这样 可以确保不与罐内溶液接触。声波波束在虚线所示的范围内，不与护罩侧壁接触，因 此不会在护罩上产生反射。 护罩轴心线与罐子轴心线的距离为1 2 5 米，与罐壁的距离为o 6 5 米，这样可以 保证超声波的波束既不与搅拌叶片接触，也不与罐壁接触。 当换能器正确安装并与主机连接后，还需对超声波液位计进行标定。标定是对液 位计的几个基本参数和重要的参数进行设置。 3 2 3 分体式超声波液位计x c t 一1 2 的参数设置 下图是超声波液位计编程参数示意图。 图3 8 超声波液位计编程参数示意图 2 0 北京邮f u 人学坝卜 i j | _ 究生论殳2 0 0 4 超声波液位计有7 个基本参数：p 0 0 1 p 0 0 7 ，其意义如下： p 0 0 1 = 1 ，表示测量的是液位高度；p 0 0 1 = 2 ，表示测量的是液位到换能器表面的 距离。此处设定p 0 0 l = l 。 p