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。因此，国家安全总局颁发了《关于进一步加强化学品罐区安全管理的通知》(安监总管三[2014]68号)文件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。用户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、外贴高频超声波液位开关的总体设计方案
外贴高频超声波液位开关设计包括硬件设计、软件设计、仪表结构设计3个部分，为了提高外贴高频超声波液位开关可靠性，设计了4个测量探头，外贴高频超声波液位开关测量结构示意图如图1所示。该仪表利用超声波检测技术，检测罐内液位是否到达所设定的报警位置。其原理是通过激励超声波传感器发射超声波，超声波信号通过罐壁射入罐内，由于罐内液体与空气存在巨大的声阻抗差异，使得两种介质对超声波能量的吸收也存在巨大差异。因此，传感器接收到的罐壁反射能量会有明显得强弱区别。利用上述原理，通过检测接收到的超声波信号能量或幅度的不同，实现准确判断液位是否到达，通过继电器输出实现液位控制。
图1 外贴高频超声波液位开关安装示意图
2、硬件电路设计
①控制器设计
外贴高频超声波液位开关采用Cygnal公司的混合信号C8051F04系统级单片机，该MCU通过对内核中断系统的扩展，可向CIP-51提供20个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器，芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，非常适合本系统控制器的设计要求。
②超声波发射与接收电路
超声波发射与接收电路是通过单片机C8051F040控制实现的，超声波发射电路通过单片机产生发射脉冲触发发射电路，通过外贴的发射探头产生超声波信号；超声波接收模块主要由接收电路组成，用于实现超声回波脉冲信号的接收和处理。接收探头将超声转化为电信号，超声信号在传输过程中会出现明显衰减。因此，接收电路将探头接收的微弱信号进行放大整形，为了提高仪表性能，本系统换能器的发射与接收采用同一个换能器的测量方案。
③液晶显示模块及其他电路
液晶显示模块由1块HGS12864液晶组成，本液晶采用4行，每行8个汉字16个数字的显示方式显示测量结果，本显示模块在实时显示测量结果的同时还承担自校准显示菜单与仪表参数调试菜单的功能，本系统设计共显示68个界面的菜单内容，包含了外贴高频超声波液位开关实时测量结果与调试的所有菜单与图形界面；该设计具有良好的交互界面和完善的交互性能。
3、软件设计
为了能够实现高精度液位开关的功能，外贴高频超声波液位开关系统软件设计采用模块化的设计方案，系统软件包括主程序模块、超声波信号产生模块，超声波信号接收模块、信号处理模块、显示模块、调试模块、自校准模块、控制模块，系统软件设计是在Silicon Laboratories IDE的软件环境中通过C语言进行程序设计的。
4、不同品牌超声液位开关的特点与应用
①国内典型外贴超声波开关的特点
国内生产的超声液位开关主要有单、双探头超声波液位开关。
A、单探头液位开关的特点表现在：
a、需要进行现场标定。由于超声透射信号的大小和罐壁的材质、罐内介质、温度等有关。在现场实际安装使用过程中，需要根据现场的实际工况（如针对不同的罐壁材质、罐内介质、温度）进行有液无液的标定，经过一段时间使用后，还要定期校准，增加了维护成本；
b、调试复杂。由于采用单探头，无法进行自动校准，需要现场调试和标定，操作相对复杂，需要专业人员操作；
c、在工况条件变化范围较大时容易产生误判。由于液位开关标定后，判据或门槛值在使用过程中是不变的，在实测工况和标定工况的差别较大时，容易产生误判。
B、双探头外贴超声波液位开关的特点表现在：
a、需要进行现场标定。由于超声透射信号的大小和罐壁的材质、罐内介质、温度等有关，在现场实际安装使用过程中，需要根据现场的实际工况（如针对不同的管壁材质、罐内介质、温度）进行有液无液的标定。经过一段时间使用后，还要定期校准，增加了维护成本；
b、在工况条件变化范围较大时容易产生误判。由于液位开关标定后，判据或门槛值在使用过程中是不变的，在实测工况和标定工况的差别较大时，容易产生误判；
c、安装复杂。双探头外贴超声波液位开关为传感器一发一收，如果罐壁中间有焊缝，超声波信号无法传输，开关在安装时要避开储罐焊缝。特别是有保温层的储罐，避开焊缝比较困难；
d、信号线不能增减。
②新型单探头外贴高频超声波液位开关的特点及技术优势
a、具有自校准功能
针对液位开关在实测工况和标定工况的差别较大，容易产生误判、漏判的情况，单探头外贴高频超声波液位开关增加了一个校准探头作为标准信号，利用测量探头与校准探头进行实时比较，进行仪表的自校准调整，实现自校准功能，杜绝误报。
b、具有自诊断功能，故障代码显示功能
单探头外贴高频超声波液位开关如出现探头脱落、探头耦合程度不良、连接线缆断路等故障时，会导致换能器信号发生变化。该液位开关可通过自诊断功能判断故障原因，显示并输出故障代码及报警信号，及时通知用户维护、修理且故障期间不误动作。
c、采用超声波高频技术，仪表抗干扰能力强
单探头外贴高频超声波液位开关采用高频超声波技术，由于高频发出的波形属于短波，而通常现场的干扰波形属于长波，这样就提高了液位开关的抗干扰能力。
d、红外线遥控调试，符合防爆规范
单探头外贴高频超声波液位开关配备了不用开盖就可以实现红外调试的红外遥控器，通过红外遥控器可以实现菜单选择与参数调试功能，现场调试安全方便。
③国内外外贴超声波液位开关分类和功能比较(如表1所示)
仪表名称：双探头外贴低频超声波液位开关
探头形式：双探头
声波频率：低频(150kHz-200kHz)
测量原理：超声波折射透射原理，储罐有液，接收信号弱，无液则接收信号强。
安装影响：安装位置需避开焊缝，表面需打磨。
校准方式：固定阈值，安装时需人工校准，运行后也需定期人工校准。
调试方式：磁力笔
失效模式：无法判断
显示：LED或LCD
测量点数：1个
仪表名称：单探头外贴低频超声波液位开关
探头形式：单探头
声波频率：低频(150kHz-200kHz)
测量原理：超声波折射透射原理，储罐有液，接收信号弱，无液则接收信号强。
安装影响：安装位置需避开焊缝，表面需打磨。
校准方式：固定阈值，安装时需人工校准，运行后也需定期人工校准。
调试方式：磁力笔
失效模式：无法判断
显示：LED或LCD
测量点数：1个
仪表名称：单探头外贴高频超声波液位开关
探头形式：单探头
声波频率：高频(2.5MHz-5.0MHz)
测量原理：超声波折射透射原理，储罐有液，接收信号弱，无液则接收信号强。
安装影响：安装位置需避开焊缝，表面不需要打磨。
校准方式：安装时和运行后都通过校准探头自动校准，无需人工校准。
调试方式：红外遥控器
失效模式：就地显示和485通讯传输故障代码
显示：OLED中文菜单
测量点数：1-2个
④单探头外贴高频超声波液位开关的应用
单探头外贴高频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。
危化品储罐储存的都是易燃、易爆、有毒、腐蚀性液体，储罐不易开孔，特别是危化品储罐液位控制安全改造，更不方便清罐和开孔。单探头外贴高频超声波液位开关作为液位控制的关键部件，具有其独特的特点与优势，是危化品储罐液位开关的首选。通过单探头外贴高频超声波液位开关在危化品储罐液位控制的大量应用实践证明：该产品性能稳定、功能齐全、维护量小、杜绝误报发生，可以用于危化品储罐液位控制。
作者：王恒林、张立军、吉天仪