近年來，國內石油化工行業安全事故頻發，化學品罐區多次發生泄漏、火災或爆炸事故，先后發生的大連中石油國際儲運有限公司2010年“7.16”輸油管道爆炸火災、中石油大連石化公司三苯罐區2013年“6.2”爆炸火災、中石化揚子石化公司2014年“6.9”酸性水儲罐爆燃等事故給國家造成了重大財產損失并造成了重大社會影響，暴露出部分單位化學品罐區在監測監控、設備設施管理、安全設計等方面仍存在突出的事故隱患和問題。因此，國家安全總局頒發了《關于進一步加強化學品罐區安全管理的通知》(安監總管三[2014]68號)文件化學品罐區監測監控設施。要求設置儲罐高低液位報警，采用超高液位自動聯鎖關閉儲罐進料閥門和超低液位自動聯鎖停止物料輸送措施，確保系統安全運行。由此可見，儲罐液位控制是儲罐系統安全控制的關鍵因素。用戶準確應用智能化高精度儲罐液位控制開關對易燃易爆、有毒有害氣體的化學品罐區的監測監控和安全運行具有重要的意義。
1、外貼高頻超聲波液位開關的總體設計方案
外貼高頻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，為了提高外貼高頻超聲波液位開關可靠性，設計了4個測量探頭，外貼高頻超聲波液位開關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得強弱區別。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 外貼高頻超聲波液位開關安裝示意圖
2、硬件電路設計
①控制器設計
外貼高頻超聲波液位開關采用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超聲波發射與接收電路
超聲波發射與接收電路是通過單片機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。
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，包含了外貼高頻超聲波液位開關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，外貼高頻超聲波液位開關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語言進行程序設計的。
4、不同品牌超聲液位開關的特點與應用
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。
A、單探頭液位開關的特點表現在：
a、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。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；
b、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，操作相對復雜，需要專業人員操作；
c、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，在實測工況和標定工況的差別較大時，容易產生誤判。
B、雙探頭外貼超聲波液位開關的特點表現在：
a、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，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；
b、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，在實測工況和標定工況的差別較大時，容易產生誤判；
c、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；
d、信號線不能增減。
②新型單探頭外貼高頻超聲波液位開關的特點及技術優勢
a、具有自校準功能
針對液位開關在實測工況和標定工況的差別較大，容易產生誤判、漏判的情況，單探頭外貼高頻超聲波液位開關增加了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。
b、具有自診斷功能，故障代碼顯示功能
單探頭外貼高頻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時，會導致換能器信號發生變化。該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。
c、采用超聲波高頻技術，儀表抗干擾能力強
單探頭外貼高頻超聲波液位開關采用高頻超聲波技術，由于高頻發出的波形屬于短波，而通?，F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。
d、紅外線遙控調試，符合防爆規范
單探頭外貼高頻超聲波液位開關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。
③國內外外貼超聲波液位開關分類和功能比較(如表1所示)
儀表名稱：雙探頭外貼低頻超聲波液位開關
探頭形式：雙探頭
聲波頻率：低頻(150kHz-200kHz)
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。
安裝影響：安裝位置需避開焊縫，表面需打磨。
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。
調試方式：磁力筆
失效模式：無法判斷
顯示：LED或LCD
測量點數：1個
儀表名稱：單探頭外貼低頻超聲波液位開關
探頭形式：單探頭
聲波頻率：低頻(150kHz-200kHz)
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。
安裝影響：安裝位置需避開焊縫，表面需打磨。
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。
調試方式：磁力筆
失效模式：無法判斷
顯示：LED或LCD
測量點數：1個
儀表名稱：單探頭外貼高頻超聲波液位開關
探頭形式：單探頭
聲波頻率：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。
安裝影響：安裝位置需避開焊縫，表面不需要打磨。
校準方式：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：紅外遙控器
失效模式：就地顯示和485通訊傳輸故障代碼
顯示：OLED中文菜單
測量點數：1-2個
④單探頭外貼高頻超聲波液位開關的應用
單探頭外貼高頻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。
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?；穬抟何豢刂瓢踩脑欤环奖闱骞藓烷_孔。單探頭外貼高頻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。通過單探頭外貼高頻超聲波液位開關在?；穬抟何豢刂频拇罅繎脤嵺`證明：該產品性能穩定、功能齊全、維護量小、杜絕誤報發生，可以用于?；穬抟何豢刂?。
作者：王恒林、張立軍、吉天儀
