近年來，國內(nèi)石油化工行業(yè)安全事故頻發(fā)，化學(xué)品罐區(qū)多次發(fā)生泄漏、火災(zāi)或爆炸事故，先后發(fā)生的大連中石油國際儲(chǔ)運(yùn)有限公司2010年“7.16”輸油管道爆炸火災(zāi)、中石油大連石化公司三苯罐區(qū)2013年“6.2”爆炸火災(zāi)、中石化揚(yáng)子石化公司2014年“6.9”酸性水儲(chǔ)罐爆燃等事故給國家造成了重大財(cái)產(chǎn)損失并造成了重大社會(huì)影響，暴露出部分單位化學(xué)品罐區(qū)在監(jiān)測監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施管理、安全設(shè)計(jì)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(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》(安監(jiān)總管三[2014]68號)文件化學(xué)品罐區(qū)監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施。要求設(shè)置儲(chǔ)罐高低液位報(bào)警，采用超高液位自動(dòng)聯(lián)鎖關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)料閥門和超低液位自動(dòng)聯(lián)鎖停止物料輸送措施，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。由此可見，儲(chǔ)罐液位控制是儲(chǔ)罐系統(tǒng)安全控制的關(guān)鍵因素。用戶準(zhǔn)確應(yīng)用智能化高精度儲(chǔ)罐液位控制開關(guān)對易燃易爆、有毒有害氣體的化學(xué)品罐區(qū)的監(jiān)測監(jiān)控和安全運(yùn)行具有重要的意義。
1、外貼高頻超聲波液位開關(guān)的總體設(shè)計(jì)方案
外貼高頻超聲波液位開關(guān)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3個(gè)部分，為了提高外貼高頻超聲波液位開關(guān)可靠性，設(shè)計(jì)了4個(gè)測量探頭，外貼高頻超聲波液位開關(guān)測量結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該儀表利用超聲波檢測技術(shù)，檢測罐內(nèi)液位是否到達(dá)所設(shè)定的報(bào)警位置。其原理是通過激勵(lì)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波信號通過罐壁射入罐內(nèi)，由于罐內(nèi)液體與空氣存在巨大的聲阻抗差異，使得兩種介質(zhì)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(huì)有明顯得強(qiáng)弱區(qū)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷液位是否到達(dá)，通過繼電器輸出實(shí)現(xiàn)液位控制。
圖1 外貼高頻超聲波液位開關(guān)安裝示意圖
2、硬件電路設(shè)計(jì)
①控制器設(shè)計(jì)
外貼高頻超聲波液位開關(guān)采用Cygnal公司的混合信號C8051F04系統(tǒng)級單片機(jī)，該MCU通過對內(nèi)核中斷系統(tǒng)的擴(kuò)展，可向CIP-51提供20個(gè)中斷源，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器，芯片上有1個(gè)12位多通道ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)電壓比較器，1個(gè)電壓基準(zhǔn)，1個(gè)32kB的FLASH存儲(chǔ)器，峰值速度可達(dá)25MIPS，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)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(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)要求。
②超聲波發(fā)射與接收電路
超聲波發(fā)射與接收電路是通過單片機(jī)C8051F040控制實(shí)現(xiàn)的，超聲波發(fā)射電路通過單片機(jī)產(chǎn)生發(fā)射脈沖觸發(fā)發(fā)射電路，通過外貼的發(fā)射探頭產(chǎn)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(shí)現(xiàn)超聲回波脈沖信號的接收和處理。接收探頭將超聲轉(zhuǎn)化為電信號，超聲信號在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。因此，接收電路將探頭接收的微弱信號進(jìn)行放大整形，為了提高儀表性能，本系統(tǒng)換能器的發(fā)射與接收采用同一個(gè)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(gè)漢字16個(gè)數(shù)字的顯示方式顯示測量結(jié)果，本顯示模塊在實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果的同時(shí)還承擔(dān)自校準(zhǔn)顯示菜單與儀表參數(shù)調(diào)試菜單的功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)共顯示68個(gè)界面的菜單內(nèi)容，包含了外貼高頻超聲波液位開關(guān)實(shí)時(shí)測量結(jié)果與調(diào)試的所有菜單與圖形界面；該設(shè)計(jì)具有良好的交互界面和完善的交互性能。
3、軟件設(shè)計(jì)
為了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度液位開關(guān)的功能，外貼高頻超聲波液位開關(guān)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)軟件包括主程序模塊、超聲波信號產(chǎn)生模塊，超聲波信號接收模塊、信號處理模塊、顯示模塊、調(diào)試模塊、自校準(zhǔn)模塊、控制模塊，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在Silicon Laboratories IDE的軟件環(huán)境中通過C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的。
4、不同品牌超聲液位開關(guān)的特點(diǎn)與應(yīng)用
①國內(nèi)典型外貼超聲波開關(guān)的特點(diǎn)
國內(nèi)生產(chǎn)的超聲液位開關(guān)主要有單、雙探頭超聲波液位開關(guān)。
A、單探頭液位開關(guān)的特點(diǎn)表現(xiàn)在：
a、需要進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定。由于超聲透射信號的大小和罐壁的材質(zhì)、罐內(nèi)介質(zhì)、溫度等有關(guān)。在現(xiàn)場實(shí)際安裝使用過程中，需要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際工況（如針對不同的罐壁材質(zhì)、罐內(nèi)介質(zhì)、溫度）進(jìn)行有液無液的標(biāo)定，經(jīng)過一段時(shí)間使用后，還要定期校準(zhǔn)，增加了維護(hù)成本；
b、調(diào)試復(fù)雜。由于采用單探頭，無法進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，需要現(xiàn)場調(diào)試和標(biāo)定，操作相對復(fù)雜，需要專業(yè)人員操作；
c、在工況條件變化范圍較大時(shí)容易產(chǎn)生誤判。由于液位開關(guān)標(biāo)定后，判據(jù)或門檻值在使用過程中是不變的，在實(shí)測工況和標(biāo)定工況的差別較大時(shí)，容易產(chǎn)生誤判。
B、雙探頭外貼超聲波液位開關(guān)的特點(diǎn)表現(xiàn)在：
a、需要進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定。由于超聲透射信號的大小和罐壁的材質(zhì)、罐內(nèi)介質(zhì)、溫度等有關(guān)，在現(xiàn)場實(shí)際安裝使用過程中，需要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際工況（如針對不同的管壁材質(zhì)、罐內(nèi)介質(zhì)、溫度）進(jìn)行有液無液的標(biāo)定。經(jīng)過一段時(shí)間使用后，還要定期校準(zhǔn)，增加了維護(hù)成本；
b、在工況條件變化范圍較大時(shí)容易產(chǎn)生誤判。由于液位開關(guān)標(biāo)定后，判據(jù)或門檻值在使用過程中是不變的，在實(shí)測工況和標(biāo)定工況的差別較大時(shí)，容易產(chǎn)生誤判；
c、安裝復(fù)雜。雙探頭外貼超聲波液位開關(guān)為傳感器一發(fā)一收，如果罐壁中間有焊縫，超聲波信號無法傳輸，開關(guān)在安裝時(shí)要避開儲(chǔ)罐焊縫。特別是有保溫層的儲(chǔ)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(guān)的特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢
a、具有自校準(zhǔn)功能
針對液位開關(guān)在實(shí)測工況和標(biāo)定工況的差別較大，容易產(chǎn)生誤判、漏判的情況，單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)增加了一個(gè)校準(zhǔn)探頭作為標(biāo)準(zhǔn)信號，利用測量探頭與校準(zhǔn)探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，進(jìn)行儀表的自校準(zhǔn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能，杜絕誤報(bào)。
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(guān)如出現(xiàn)探頭脫落、探頭耦合程度不良、連接線纜斷路等故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器信號發(fā)生變化。該液位開關(guān)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(bào)警信號，及時(shí)通知用戶維護(hù)、修理且故障期間不誤動(dòng)作。
c、采用超聲波高頻技術(shù)，儀表抗干擾能力強(qiáng)
單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)采用高頻超聲波技術(shù)，由于高頻發(fā)出的波形屬于短波，而通常現(xiàn)場的干擾波形屬于長波，這樣就提高了液位開關(guān)的抗干擾能力。
d、紅外線遙控調(diào)試，符合防爆規(guī)范
單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)配備了不用開蓋就可以實(shí)現(xiàn)紅外調(diào)試的紅外遙控器，通過紅外遙控器可以實(shí)現(xiàn)菜單選擇與參數(shù)調(diào)試功能，現(xiàn)場調(diào)試安全方便。
③國內(nèi)外外貼超聲波液位開關(guān)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(guān)
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(chǔ)罐有液，接收信號弱，無液則接收信號強(qiáng)。
安裝影響：安裝位置需避開焊縫，表面需打磨。
校準(zhǔn)方式：固定閾值，安裝時(shí)需人工校準(zhǔn)，運(yùn)行后也需定期人工校準(zhǔn)。
調(diào)試方式：磁力筆
失效模式：無法判斷
顯示：LED或LCD
測量點(diǎn)數(shù)：1個(gè)
儀表名稱：單探頭外貼低頻超聲波液位開關(guān)
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(chǔ)罐有液，接收信號弱，無液則接收信號強(qiáng)。
安裝影響：安裝位置需避開焊縫，表面需打磨。
校準(zhǔn)方式：固定閾值，安裝時(shí)需人工校準(zhǔn)，運(yùn)行后也需定期人工校準(zhǔn)。
調(diào)試方式：磁力筆
失效模式：無法判斷
顯示：LED或LCD
測量點(diǎn)數(shù)：1個(gè)
儀表名稱：單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)
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(chǔ)罐有液，接收信號弱，無液則接收信號強(qiáng)。
安裝影響：安裝位置需避開焊縫，表面不需要打磨。
校準(zhǔn)方式：安裝時(shí)和運(yùn)行后都通過校準(zhǔn)探頭自動(dòng)校準(zhǔn)，無需人工校準(zhǔn)。
調(diào)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(diǎn)數(shù)：1-2個(gè)
④單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)的應(yīng)用
單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)的典型應(yīng)用主要體現(xiàn)在用于不能開孔測量的儲(chǔ)罐工況，以及危化品儲(chǔ)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(shí)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(hù)簡單而且維護(hù)工作量很小，節(jié)省人力、物力，產(chǎn)品使用安全、性能穩(wěn)定。
危化品儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的都是易燃、易爆、有毒、腐蝕性液體，儲(chǔ)罐不易開孔，特別是危化品儲(chǔ)罐液位控制安全改造，更不方便清罐和開孔。單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)作為液位控制的關(guān)鍵部件，具有其獨(dú)特的特點(diǎn)與優(yōu)勢，是危化品儲(chǔ)罐液位開關(guān)的首選。通過單探頭外貼高頻超聲波液位開關(guān)在危化品儲(chǔ)罐液位控制的大量應(yīng)用實(shí)踐證明：該產(chǎn)品性能穩(wěn)定、功能齊全、維護(hù)量小、杜絕誤報(bào)發(fā)生，可以用于危化品儲(chǔ)罐液位控制。
作者：王恒林、張立軍、吉天儀
