辽宁宏运

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新型智能外贴超声波液位开关在危化品储罐液位控制的应用
2020-11-12
  

王恒林(lin),张立军(jun),吉天(tian)仪(yi)

(江苏(su)(su)辽宁宏运科技有限(xian)公司,江苏(su)(su),淮(huai)安,211600)

引言

近年来,国内石油化工行业安全事故频发,化学品罐区多次发生泄漏、火灾或爆炸事故,先后发生的大连中石油国际储运有限公司2010年“7•16”输油管道爆炸火灾、中石油大连石化公司三苯罐区2013年“6•2”爆炸火灾、中石化扬子石化公司2014年“6•9”酸性水储罐爆燃等事故给国家造成了重大财产损失并造成了重大社会影响,暴露出部分单位化学品罐区在监测监控、设备设施管理、安全设计等方面仍存在突出的事故隐患和问题[1],因此,国家安全总局颁发了《关于进一步加强化学品灌区安全管理的通知》(安监总管三[2014]68号)文件[1],要求:进一步完善化学品罐区监测监控设施。要求设置储罐高低液位报警,采用超高液位自动联锁关闭储罐进料阀门和超低液位自动联锁停止物料输送措施,确保系统安全运行,由此可见,储罐液位控制是储罐系统安全控制的关键因素,因此,研究开发和准确应用智能化高精度储罐液位控制开关对易燃易爆、有毒有害气体的化学品罐区的监测监控和安全运行具有重要的意义。

1  外贴超声波液位开关的总体设计方案

该(gai)新型智(zhi)能外贴超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)液(ye)位(wei)开关设(she)计包括硬件(jian)设(she)计、软(ruan)件(jian)设(she)计、仪(yi)(yi)表(biao)结(jie)构设(she)计3个部分,为了(le)提高仪(yi)(yi)表(biao)的(de)可靠(kao)性,设(she)计了(le)4个测(ce)量(liang)(liang)探头,该(gai)仪(yi)(yi)表(biao)的(de)测(ce)量(liang)(liang)结(jie)构示(shi)意图(tu)如图(tu)1所示(shi)。该(gai)仪(yi)(yi)表(biao)利用超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)检(jian)测(ce)技(ji)术,检(jian)测(ce)罐(guan)内(nei)液(ye)位(wei)是否(fou)到(dao)达所设(she)定的(de)报警位(wei)置。其原理是通(tong)过激励超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)传(chuan)感器(qi)(qi)发射(she)超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo),超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)信号通(tong)过罐(guan)壁(bi)射(she)入罐(guan)内(nei),由于罐(guan)内(nei)液(ye)体(ti)与(yu)空(kong)气存在(zai)巨大(da)的(de)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)阻抗差(cha)异,使得两种介质对超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)能量(liang)(liang)的(de)吸收(shou)(shou)也存在(zai)巨大(da)差(cha)异,因此,传(chuan)感器(qi)(qi)接收(shou)(shou)到(dao)的(de)罐(guan)壁(bi)反射(she)能量(liang)(liang)会有明显的(de)强(qiang)弱区别,利用上(shang)述原理,通(tong)过检(jian)测(ce)接收(shou)(shou)到(dao)的(de)超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)信号能量(liang)(liang)或幅(fu)度的(de)不同,实(shi)现(xian)准确判断(duan)液(ye)位(wei)是否(fou)到(dao)达,通(tong)过继电器(qi)(qi)输出(chu)实(shi)现(xian)液(ye)位(wei)控制。

 

图1 : 1-液位(wei)开(kai)关主机  2-高位(wei)校准(zhun)探(tan)(tan)头 3-高位(wei)测量探(tan)(tan)头 4-低位(wei)测量探(tan)(tan)头 5-低位(wei)校准(zhun)探(tan)(tan)头

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  硬件电路设计

2.1 控制器设计

本仪(yi)表采用Cygnal公司的(de)混(hun)合信(xin)号C8051F04系统(tong)(tong)级单片(pian)机,该MCU通过(guo)对(dui)内核中断系统(tong)(tong)的(de)扩展,可(ke)向CIP-51提供20个(ge)中断源,允许大(da)量的(de)模拟和(he)数(shu)字(zi)外(wai)设(she)中断制(zhi)器(qi)(qi),芯片(pian)上有1个(ge)12位(wei)多通道ADC,2个(ge)12位(wei)DAC,2个(ge)电压比较器(qi)(qi),1个(ge)电压基准,1个(ge)32kB的(de)FLASH,峰值速度可(ke)达25MIPS,并且还(hai)有硬件实现(xian)的(de)UART和(he)完(wan)全支持(chi)CAN2.0A和(he)CAN2.0B的(de)CAN控制(zhi)器(qi)(qi),非(fei)常适合本系统(tong)(tong)控制(zhi)器(qi)(qi)的(de)设(she)计要求。

   2.2超声波发射与接收电路

超(chao)(chao)(chao)声(sheng)(sheng)波(bo)发射(she)发射(she)与(yu)接(jie)收(shou)(shou)电(dian)(dian)路(lu)通过(guo)(guo)(guo)单(dan)(dan)片机(ji)C8051F040控制实(shi)现的(de),超(chao)(chao)(chao)声(sheng)(sheng)波(bo)发射(she)电(dian)(dian)路(lu)通过(guo)(guo)(guo)单(dan)(dan)片机(ji)产(chan)生发射(she)脉冲(chong)触发发射(she)电(dian)(dian)路(lu),通过(guo)(guo)(guo)外(wai)贴的(de)发射(she)探(tan)(tan)头产(chan)生超(chao)(chao)(chao)声(sheng)(sheng)波(bo)信号;超(chao)(chao)(chao)声(sheng)(sheng)波(bo)接(jie)收(shou)(shou)模(mo)块(kuai)主(zhu)要由接(jie)收(shou)(shou)电(dian)(dian)路(lu)组成(cheng),用于实(shi)现超(chao)(chao)(chao)声(sheng)(sheng)回波(bo)脉冲(chong)信号的(de)接(jie)收(shou)(shou)和(he)处(chu)理,接(jie)收(shou)(shou)探(tan)(tan)头将超(chao)(chao)(chao)声(sheng)(sheng)转化为电(dian)(dian)信号,超(chao)(chao)(chao)声(sheng)(sheng)信号在传输(shu)过(guo)(guo)(guo)程中会出现明显衰减,因此,接(jie)收(shou)(shou)电(dian)(dian)路(lu)将探(tan)(tan)头接(jie)收(shou)(shou)的(de)微弱信号进行(xing)放(fang)大(da)整形,为了(le)提高仪(yi)表性能,本系统(tong)换能器(qi)的(de)发射(she)与(yu)接(jie)收(shou)(shou)采用同一个换能器(qi)的(de)测量(liang)方案。

   2.3 液晶显示模块及其他电路

液(ye)晶显(xian)(xian)示(shi)(shi)模块(kuai)由1块(kuai)HGS12864液(ye)晶组成,本液(ye)晶采(cai)用4行(xing),每行(xing)8个(ge)汉字16个(ge)数字的(de)显(xian)(xian)示(shi)(shi)方式(shi)显(xian)(xian)示(shi)(shi)测量结(jie)(jie)果,本显(xian)(xian)示(shi)(shi)模块(kuai)在实时显(xian)(xian)示(shi)(shi)测量结(jie)(jie)果的(de)同时还承担自校准显(xian)(xian)示(shi)(shi)菜单(dan)与仪(yi)(yi)表参数调(diao)试菜单(dan)的(de)功能,本系统设计共显(xian)(xian)示(shi)(shi)68个(ge)界(jie)面(mian)的(de)菜单(dan)内容,包含了仪(yi)(yi)表的(de)实时测量结(jie)(jie)果与调(diao)试的(de)所有(you)菜单(dan)与图形界(jie)面(mian);该设计具有(you)良(liang)好的(de)交(jiao)互界(jie)面(mian)和完善的(de)交(jiao)互性能。

软件设计

为了能(neng)够实现高精度液位开关的(de)功(gong)能(neng),本系(xi)统软件(jian)设计(ji)采用(yong)模(mo)(mo)块(kuai)化(hua)的(de)设计(ji)方案,系(xi)统软件(jian)包括主程序模(mo)(mo)块(kuai)、超声波(bo)信(xin)号产生(sheng)模(mo)(mo)块(kuai),超声波(bo)信(xin)号接收模(mo)(mo)块(kuai)、信(xin)号处(chu)理(li)模(mo)(mo)块(kuai)、显示(shi)模(mo)(mo)块(kuai)、调试模(mo)(mo)块(kuai)、自校(xiao)准(zhun)模(mo)(mo)块(kuai)、控(kong)制模(mo)(mo)块(kuai),系(xi)统软件(jian)设计(ji)是在(zai)Silicon Laboratories IDE的(de)软件(jian)环境中通(tong)过(guo)C语言(yan)进行(xing)程序设计(ji)。

超声液位开关的比较及本公司超声液位开关的特点及应用

4.1国内典型外贴超声波开关的特点

国内(nei)生产(chan)的(de)(de)(de)(de)超(chao)声(sheng)液位(wei)(wei)(wei)开(kai)(kai)关(guan)主要(yao)(yao)(yao)有(you)单(dan)、双(shuang)(shuang)探头(tou)(tou)(tou)超(chao)声(sheng)波(bo)(bo)液位(wei)(wei)(wei)开(kai)(kai)关(guan)。单(dan)探头(tou)(tou)(tou)液位(wei)(wei)(wei)开(kai)(kai)关(guan)的(de)(de)(de)(de)特点表现(xian)(xian)在(zai)(zai)(zai)(zai): = 1 \* GB3 ①需要(yao)(yao)(yao)进(jin)行(xing)现(xian)(xian)场(chang)(chang)标(biao)(biao)定(ding)(ding)。由(you)(you)于(yu)超(chao)声(sheng)透(tou)射信(xin)号(hao)的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)和(he)(he)(he)罐壁的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)质(zhi)、罐内(nei)介质(zhi)、温(wen)度(du)等有(you)关(guan),因(yin)此(ci)(ci),在(zai)(zai)(zai)(zai)现(xian)(xian)场(chang)(chang)实(shi)际(ji)安(an)装使用(yong)(yong)过(guo)程(cheng)中,需要(yao)(yao)(yao)根据(ju)现(xian)(xian)场(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)实(shi)际(ji)工(gong)(gong)(gong)(gong)况(如针(zhen)对(dui)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)罐壁材(cai)(cai)质(zhi)、罐内(nei)介质(zhi)、温(wen)度(du))进(jin)行(xing)有(you)液无(wu)液的(de)(de)(de)(de)标(biao)(biao)定(ding)(ding),经过(guo)一(yi)段时(shi)间使用(yong)(yong)后,还(hai)要(yao)(yao)(yao)定(ding)(ding)期校准(zhun),增(zeng)加了(le)维(wei)护(hu)成(cheng)本(ben)。 = 2 \* GB3 ②调试(shi)复杂(za)(za)。由(you)(you)于(yu)采用(yong)(yong)单(dan)探头(tou)(tou)(tou),无(wu)法进(jin)行(xing)自动校准(zhun),需要(yao)(yao)(yao)现(xian)(xian)场(chang)(chang)调试(shi)和(he)(he)(he)标(biao)(biao)定(ding)(ding),因(yin)此(ci)(ci)操(cao)作(zuo)(zuo)相(xiang)对(dui)复杂(za)(za),需要(yao)(yao)(yao)专业人员(yuan)操(cao)作(zuo)(zuo)。 = 3 \* GB3 ③在(zai)(zai)(zai)(zai)工(gong)(gong)(gong)(gong)况条件(jian)变(bian)化(hua)范围较大时(shi)容(rong)(rong)易产(chan)生误(wu)判。由(you)(you)于(yu)液位(wei)(wei)(wei)开(kai)(kai)关(guan)标(biao)(biao)定(ding)(ding)后,判据(ju)或(huo)门(men)槛值在(zai)(zai)(zai)(zai)使用(yong)(yong)过(guo)程(cheng)中是不(bu)变(bian)的(de)(de)(de)(de),因(yin)此(ci)(ci),在(zai)(zai)(zai)(zai)实(shi)测(ce)工(gong)(gong)(gong)(gong)况和(he)(he)(he)标(biao)(biao)定(ding)(ding)工(gong)(gong)(gong)(gong)况的(de)(de)(de)(de)差别(bie)较大时(shi),容(rong)(rong)易产(chan)生误(wu)判。双(shuang)(shuang)探头(tou)(tou)(tou)外贴超(chao)声(sheng)波(bo)(bo)液位(wei)(wei)(wei)开(kai)(kai)关(guan)的(de)(de)(de)(de)特点表现(xian)(xian)在(zai)(zai)(zai)(zai): = 1 \* GB3 ①需要(yao)(yao)(yao)进(jin)行(xing)现(xian)(xian)场(chang)(chang)标(biao)(biao)定(ding)(ding)。由(you)(you)于(yu)超(chao)声(sheng)透(tou)射信(xin)号(hao)的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)和(he)(he)(he)罐壁的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)质(zhi)、罐内(nei)介质(zhi)、温(wen)度(du)等有(you)关(guan),因(yin)此(ci)(ci),在(zai)(zai)(zai)(zai)现(xian)(xian)场(chang)(chang)实(shi)际(ji)安(an)装使用(yong)(yong)过(guo)程(cheng)中,需要(yao)(yao)(yao)根据(ju)现(xian)(xian)场(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)实(shi)际(ji)工(gong)(gong)(gong)(gong)况(如针(zhen)对(dui)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)管壁材(cai)(cai)质(zhi)、罐内(nei)介质(zhi)、温(wen)度(du))进(jin)行(xing)有(you)液无(wu)液的(de)(de)(de)(de)标(biao)(biao)定(ding)(ding)。经过(guo)一(yi)段时(shi)间使用(yong)(yong)后,还(hai)要(yao)(yao)(yao)定(ding)(ding)期校准(zhun),增(zeng)加了(le)维(wei)护(hu)成(cheng)本(ben)。 = 2 \* GB3 ②在(zai)(zai)(zai)(zai)工(gong)(gong)(gong)(gong)况条件(jian)变(bian)化(hua)范围较大时(shi)容(rong)(rong)易产(chan)生误(wu)判。由(you)(you)于(yu)液位(wei)(wei)(wei)开(kai)(kai)关(guan)标(biao)(biao)定(ding)(ding)后,判据(ju)或(huo)门(men)槛值在(zai)(zai)(zai)(zai)使用(yong)(yong)过(guo)程(cheng)中是不(bu)变(bian)的(de)(de)(de)(de),因(yin)此(ci)(ci),在(zai)(zai)(zai)(zai)实(shi)测(ce)工(gong)(gong)(gong)(gong)况和(he)(he)(he)标(biao)(biao)定(ding)(ding)工(gong)(gong)(gong)(gong)况的(de)(de)(de)(de)差别(bie)较大时(shi),容(rong)(rong)易产(chan)生误(wu)判。 = 3 \* GB3 ③安(an)装复杂(za)(za)。双(shuang)(shuang)探头(tou)(tou)(tou)外贴超(chao)声(sheng)波(bo)(bo)液位(wei)(wei)(wei)开(kai)(kai)关(guan)为传(chuan)感器一(yi)发一(yi)收,如果罐壁中间有(you)焊缝(feng),超(chao)声(sheng)波(bo)(bo)信(xin)号(hao)无(wu)法传(chuan)输,开(kai)(kai)关(guan)在(zai)(zai)(zai)(zai)安(an)装时(shi)要(yao)(yao)(yao)避开(kai)(kai)储罐焊缝(feng)。特别(bie)是有(you)保温(wen)层的(de)(de)(de)(de)储罐,避开(kai)(kai)焊缝(feng)比较困难。 = 4 \* GB3 ④信(xin)号(hao)线(xian)不(bu)能增(zeng)减。

4辽宁宏运科技生产的新型智能外贴超声波液位开关的特点及技术优势

 = 1 \* GB3 ①具有自校(xiao)(xiao)准(zhun)功能:在(zai)(zai)针对液(ye)位开(kai)关(guan)在(zai)(zai)实测工况(kuang)和标定工况(kuang)的(de)差别较大时,容易产生误判(pan)、漏(lou)判(pan)的(de)情(qing)况(kuang),本公司生产的(de)新(xin)型智(zhi)能外贴(tie)超声波(bo)液(ye)位开(kai)关(guan)增(zeng)加一个校(xiao)(xiao)准(zhun)探头作为标准(zhun)信

号,利用测量探(tan)头与校(xiao)准(zhun)探(tan)头进行实时比较,进行仪(yi)表(biao)的(de)自校(xiao)准(zhun)调(diao)整,实现自校(xiao)准(zhun)功能,杜绝误报。

 = 2 \* GB3 ②具(ju)有自诊断(duan)功(gong)能(neng)(neng),故(gu)(gu)障(zhang)代码(ma)显示功(gong)能(neng)(neng):新(xin)型智能(neng)(neng)外贴超声波液位开关(guan)如出(chu)现探(tan)头脱落、探(tan)头耦合(he)程度不良、连接(jie)线缆断(duan)路等故(gu)(gu)障(zhang),这些故(gu)(gu)障(zhang)会导致(zhi)换能(neng)(neng)器信号(hao)发生变化,本液位开关(guan)可(ke)通过自诊断(duan)功(gong)能(neng)(neng)判断(duan)故(gu)(gu)障(zhang)原(yuan)因,显示并输出(chu)故(gu)(gu)障(zhang)代码(ma)及(ji)报警信号(hao),及(ji)时通知用户维护、修理,且故(gu)(gu)障(zhang)期间不误动作。

 = 3 \* GB3 ③采用(yong)超声(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)高频(pin)技术(shu),仪表抗干(gan)扰(rao)(rao)能力强。新型智能外贴超声(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)液位(wei)开(kai)关采用(yong)的高频(pin)超声(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)技术(shu),高频(pin)发出的波(bo)(bo)(bo)形(xing)属于短波(bo)(bo)(bo),通常现场的干(gan)扰(rao)(rao)波(bo)(bo)(bo)形(xing)属于长波(bo)(bo)(bo),这样就提高了液位(wei)开(kai)关的抗干(gan)扰(rao)(rao)能力。

 = 4 \* GB3 ④ 红(hong)外线遥控调试,符合防爆规(gui)范。本仪表(biao)配备了不用开盖就可以实现(xian)红(hong)外调试的红(hong)外遥控器(qi),通过红(hong)外遥控器(qi)可以实现(xian)菜单选择与参数调试功能,现(xian)场调试安全(quan)、方便(bian)。

       4国内外外贴超声波液位开关分类和功能比较

探头形(xing)式

 

双探头

单(dan)探(tan)头

辽宁宏运单探头

声波频率

低(di)频(150KHz~200KHz)

低频(150KHz~200KHz)

高频(pin)(2.5MHz~5.0MHz)

测量原(yuan)理

超(chao)声波折射透射原理,储罐有(you)液,接收(shou)信(xin)号(hao)弱,无液则接收(shou)信(xin)号(hao)强。

超声波直射透射原理,储罐有液,接(jie)收信号(hao)弱,无液则接(jie)收信号(hao)强。

超声波直射(she)透射(she)原理,储罐有液,接收信号弱,无液则接收信号强。

安装影响

安装位置需(xu)避开(kai)焊缝,表面需(xu)打(da)磨(mo)。

安装位(wei)置无要求,表(biao)面需(xu)打磨。

安装(zhuang)位置无要求,表面(mian)无需打磨。

校准方(fang)式

固定阈值,安(an)装时需人(ren)(ren)工校(xiao)准(zhun),运行后也需定期人(ren)(ren)工校(xiao)准(zhun)。

固(gu)定阈值,安装时(shi)需(xu)人(ren)工校准,运行后也需(xu)人(ren)工定期校准。

安(an)装时和运(yun)行后都通过校准探头自动校准,无需人工校准。

调试方式

磁力笔

磁力(li)笔

红外遥控器

失效模式

无法判断(duan)

无法(fa)判断

就地显(xian)示和485通讯传输故障代码

显示

LED或LCD

LED或LCD

OLED中文菜单

测(ce)量点(dian)数

1

1

1~2


4
新型智能外贴超声波液位开关的应用

      外贴超声波液位开关的典型应用主要体现在用于不能开孔测量的储罐工况,以及危化品储罐液位安全控制的工况,适用于碳钢、不锈钢、塑料、玻璃钢等密实材料的罐体,采用磁铁吸附、胶粘形式安装传感器,安装方便,维护简单而且维护工作量很小,节省人力、物力,产品使用安全,性能稳定,新型智能外贴超声波液位开关是江苏辽宁宏运科技有限公司采用最新的超声波技术实现液位开关的第三代产品,是真正意义上的多功能、智能化产品。

5、结论:

危(wei)(wei)化(hua)(hua)(hua)品(pin)储罐(guan)(guan)储存的(de)都是易(yi)(yi)燃、易(yi)(yi)爆(bao)、有毒、腐蚀性(xing)液(ye)(ye)体,储罐(guan)(guan)不易(yi)(yi)开(kai)(kai)孔(kong),特别是危(wei)(wei)化(hua)(hua)(hua)品(pin)储罐(guan)(guan)液(ye)(ye)位(wei)控制(zhi)安(an)全(quan)改造,更(geng)不方便清罐(guan)(guan)和开(kai)(kai)孔(kong),外(wai)(wai)贴超声波液(ye)(ye)位(wei)开(kai)(kai)关作为液(ye)(ye)位(wei)控制(zhi)的(de)关键部(bu)件,具有其独特的(de)特点(dian)与优(you)势,是危(wei)(wei)化(hua)(hua)(hua)品(pin)储罐(guan)(guan)液(ye)(ye)位(wei)开(kai)(kai)关的(de)首选。通过江苏辽宁宏运科(ke)技生产(chan)公(gong)司的(de)新型智能(neng)外(wai)(wai)贴超声波液(ye)(ye)位(wei)开(kai)(kai)关在危(wei)(wei)化(hua)(hua)(hua)品(pin)储罐(guan)(guan)液(ye)(ye)位(wei)控制(zhi)的(de)大量(liang)的(de)应用实践证明:该产(chan)品(pin)性(xing)能(neng)稳定(ding),功(gong)能(neng)齐(qi)全(quan),维护量(liang)小,完全(quan)杜(du)绝误报发生,可(ke)以用于危(wei)(wei)化(hua)(hua)(hua)品(pin)储罐(guan)(guan)液(ye)(ye)位(wei)控制(zhi)。

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