一种能测量油水分界面的新型液位计

　　一、前言

　　超声波测位技术是近年来涌现出的许多测位新技术之一,由于它具有不接触被测介质、结构简单、可靠性高、价格便宜、安装维护较为方便等优点,受到了越来越广泛的应用。超声液位测量的方法很多,其中应用最广泛的是脉冲回波法,它的基本工作原理是:超声换能器由脉冲信号激励发出超声波,声波在介质中传播到液面时,经液面反射形成反射波,反射波再经介质传播返回到换能器,换能器把声信号转换成电信号,由二次仪表测出超声波从发射到接收所需的时间,再根据介质中超声波传播速度和换能器的安装高度,就可计算出液位高度。从图1可以看出,其液位高度:

　　式中,c为超声波在介质中的传播速度;t为测得的往返传播时间。

　　在油罐测量系统中,油罐底部一般都沉积一定的水分,这时测得的液位高度实际是油与水的高度。因此传统的超声波液位测量方法并不能真正测量罐内油品的多少,为此开发了一种能测量油水分界面的新型液位计。

　　二、新型液位计的测量原理

　　新型液位计的测量原理如图2所示,将谐振频率不同的两个超声换能器平行安装于待测油罐的底部,一个用于测量从油罐底部到油-气分界面的距离H1,另一个用于测量油罐底壁和水的高度H2。因为超声波在介质中传播时,其信号衰减与频率成正比,即频率越低,信号衰减越小,频率越高,信号衰减越快,故用低频换能器来测量H1:

　　式中,cs为超声波在罐底壁中的传播速度;ts为超声波在罐底壁中的往返传播时间;cW为超声波在水中传播速度;tW为超声波在水中的往返传播时间;c0为超声波在油中传播速度;t0为超声波在油中的往返传播时间。

　　因为高频超声换能器的测量盲区很小,故用高频换能器来测量H2:

　　式中,cs、ts、cW、tW所代表的意义与式(2)相同,这样容器内所装油品的液位高H为:

　　设低频换能器测得的时间为t1,高频换能器测得的时间为t2,这时式(4)可变换为:

　　由式(5)可以看出,只要精确地测量两个换能器超声波的往返传播时间,根据待测油品中超声波传播速度,就可计算出油罐中的液位,亦即测量不受具体油罐的底板厚度以及水分等的影响。

　　三、系统结构

　　1.硬件构成

　　本新型超声波液位测量系统的硬件电路组成如图3所示,主要由微机系统、发射回路、接收回路等组成。

　　为了便于用微机进行控制,发射回路采用了两片单稳态触发器74LS122,分别由微机控制触发,单稳延时时间由触发器外接电阻电容决定。触发器发出的方波,经整形成为尖脉冲(采用尖脉冲触发换能器,可以减少测量盲区),然后经功率放大后激发相应的超声换能器。接收回路由选通电路、放大电路、限幅电路和整形电路等组成。