專利名稱:一種結(jié)合激光干涉技術(shù)和自由態(tài)浮子測(cè)量液位的新方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種高精度測(cè)量容器內(nèi)介質(zhì)液位的新方法,通過(guò)本方法能夠?qū)θ萜鲀?nèi)介質(zhì)的液位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,并通過(guò)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化顯示。與其他液位測(cè)量方法相比,本方法對(duì)液位的測(cè)量可以達(dá)到0. 1mm,特別適用于石油化工行業(yè)中儲(chǔ)油罐用液位計(jì)的準(zhǔn)確度檢測(cè)。
背景技術(shù):
隨著工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)容器(罐體、釜、塔等) 液位或界面進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控的需求已經(jīng)變得越來(lái)越迫切。目前測(cè)量容器液位進(jìn)行的方法眾多,測(cè)量原理也不盡相同。總體而言,根據(jù)測(cè)量液位時(shí)是否需要與測(cè)量介質(zhì)相接觸的部件, 可以將液位測(cè)量方法分為接觸式測(cè)量方法和非接觸式測(cè)量方法。從測(cè)量方法的發(fā)展歷程來(lái)看,液位測(cè)量方法正在逐漸向自動(dòng)化、高精度、非接觸式方向發(fā)展。人工檢尺方式是較早出現(xiàn)的一種液位測(cè)量方法,這種方法通過(guò)用帶有重錘的米制鋼帶卷尺或帶有刻度的標(biāo)尺測(cè)量,手工記錄讀數(shù)。這種測(cè)量方法由于需要人工進(jìn)行液位值的讀取,屬于一種非自動(dòng)的液位測(cè)量方法。隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了采用浮子和鋼帶相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行液位測(cè)量的方法。這種方法是根據(jù)力平衡原理來(lái)測(cè)量容器內(nèi)的液位,通過(guò)平衡浮子自身重力和自身受到的浮力使浮子隨液位上升下降,帶動(dòng)鋼帶運(yùn)行,通過(guò)讀取鋼帶上的刻度值得到最終的液位值。而隨著伺服電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,采用伺服電機(jī)在浮子的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行液位測(cè)量的方法得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這種液位測(cè)量方法主要通過(guò)一套智能的測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量浮子的重量和浮力并控制伺服系統(tǒng),最終在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,由一體化變送器給出液位測(cè)量值。隨著電磁理論的發(fā)展,出現(xiàn)了采用磁致伸縮原理進(jìn)行液位測(cè)量的方法。這種方法是根據(jù)超聲波在兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生磁致伸縮扭轉(zhuǎn)效應(yīng),并根據(jù)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波傳輸?shù)臅r(shí)間和速度來(lái)進(jìn)行液位的測(cè)量。上述幾種測(cè)量方法都屬于接觸式測(cè)量方法,由于這類方法具有與被測(cè)介質(zhì)相接觸的部件,故限制了這些方法不能用于腐蝕性介質(zhì)。隨著近些年來(lái)電磁波技術(shù)的發(fā)展,利用電磁波來(lái)對(duì)容器液位進(jìn)行測(cè)量得到了快速的發(fā)展,由于這種類型的測(cè)量方法沒(méi)有與被測(cè)介質(zhì)相接觸的部件,所以使用維護(hù)費(fèi)用低。并且隨著發(fā)射波頻率的增加,這種液位測(cè)量方式的精度也逐漸提高。然而,上述任何一種液位測(cè)量方法由于在準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、量程及易受工作介質(zhì)影響等方面的欠缺,都不能長(zhǎng)時(shí)間的保持在一種高精度的狀態(tài),所以如何能夠兼顧準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性兩方面因素,實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)測(cè)量容器液位的新方法變得日益迫切。本發(fā)明方法的目的就是通過(guò)結(jié)合激光干涉技術(shù)和自由態(tài)浮子對(duì)容器內(nèi)的液位值進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,并且可以長(zhǎng)時(shí)間的處于高精度的穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí),伴隨著石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展,不同測(cè)量原理的液位計(jì)產(chǎn)品的應(yīng)用也日趨廣泛。但到目前為止,除了生產(chǎn)廠家提供的準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)外,還沒(méi)有一個(gè)通用的解決方案能夠給出各種液位計(jì)的準(zhǔn)確度指標(biāo),而這也導(dǎo)致液位計(jì)應(yīng)用行業(yè)在選擇液位計(jì)品牌及型號(hào)時(shí)沒(méi)有一個(gè)定量的參考標(biāo)準(zhǔn)。由于本發(fā)明方法的準(zhǔn)確度高于目前任何一種液位計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí),所以本發(fā)明本方法能夠提供一個(gè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)不同的液位計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià),給出一個(gè)定量的準(zhǔn)確度等級(jí)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明方法主要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)容器內(nèi)液位的變化,設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)、 高精度進(jìn)行液位測(cè)量的新方法。這種方法具有原理簡(jiǎn)單、操作方便、反應(yīng)靈活等特點(diǎn),綜合應(yīng)用了接觸式測(cè)量方法中浮子對(duì)液位的準(zhǔn)確反饋及電磁波測(cè)量方法的高精度和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)基于本發(fā)明方法的試驗(yàn)裝置得出,本方法的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前任何一種液位測(cè)量方法的準(zhǔn)確度。本發(fā)明解決上述問(wèn)題采用的技術(shù)方案是通過(guò)利用激光干涉技術(shù)在長(zhǎng)度測(cè)量上的精確性結(jié)合自由態(tài)浮子對(duì)容器內(nèi)的液位進(jìn)行測(cè)量。同時(shí),對(duì)激光在傳輸過(guò)程中溫度、壓力、 濕度等影響量進(jìn)行修正,從而得出最終的液位值。激光干涉技術(shù)是激光在計(jì)量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一,是工業(yè)中最具權(quán)威的長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)?;诩す飧缮婕夹g(shù)的激光產(chǎn)品具有信號(hào)噪聲小,抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)。 激光干涉技術(shù)是基于光波疊加原理,通過(guò)兩束相干光波在空間某點(diǎn)相遇而產(chǎn)生的干涉條紋的激光應(yīng)用技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)從激光光源發(fā)出的光束,經(jīng)由分光鏡分為兩路即參考光束和測(cè)量光束,并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)經(jīng)分光鏡形成一道干涉光束,如
圖1所示。在本發(fā)明方法中,采用全反射棱鏡作為可動(dòng)反射鏡,通過(guò)全反射棱鏡隨液位的變化得到干涉光束,并計(jì)算與被測(cè)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的多普勒頻差得到干涉條紋數(shù)。根據(jù)干涉條紋的數(shù)量和公式1得出容器內(nèi)液面與容器頂部間的空高數(shù)值,從而根據(jù)公式2計(jì)算出容器內(nèi)液位的準(zhǔn)確值。L = N* λ/2(1)其中N為干涉條紋數(shù),λ為激光在測(cè)量時(shí)刻的波長(zhǎng)值。HL = H-HA(2)其中H為容器總高,Ha為通過(guò)激光干涉技術(shù)測(cè)得的空高值,^為容器內(nèi)最終的液位值。為了保證激光源發(fā)出的激光經(jīng)全反射棱鏡產(chǎn)生干涉條紋,必須確保全反射棱鏡在垂直方向上隨液位進(jìn)行浮動(dòng)外,水平方向的浮動(dòng)范圍在一定區(qū)域內(nèi),本發(fā)明方法通過(guò)采用將全反射棱鏡固定在自由態(tài)浮子上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。自由態(tài)浮子由內(nèi)外兩個(gè)浮子組成,如圖3所示。其中全反射棱鏡安裝在內(nèi)浮子上,為了確保裝有全反射棱鏡的內(nèi)浮子既能在垂直方向上隨液面進(jìn)行升降,又能在水平方向上一定范圍內(nèi)進(jìn)行浮動(dòng),從而保證產(chǎn)生干涉條紋,本發(fā)明方法將內(nèi)浮子通過(guò)支桿方式將內(nèi)浮子聯(lián)動(dòng)在外浮子上,而外浮子的兩端通過(guò)吊耳固定在容器內(nèi)部的導(dǎo)軌上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。自由態(tài)浮子采用這種連接方式的目的主要有兩個(gè)一是確保內(nèi)浮子與外浮子間保持一定的間距,減少容器內(nèi)介質(zhì)毛細(xì)作用對(duì)內(nèi)浮子的影響。二是通過(guò)內(nèi)外浮子的自由聯(lián)動(dòng),從而保證內(nèi)浮子隨液面達(dá)到準(zhǔn)自由態(tài)運(yùn)動(dòng)。為了保證本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)容器內(nèi)液位高精度測(cè)量,需要測(cè)量過(guò)程中對(duì)影響本方法準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行修正。由于容器內(nèi)溫度、氣壓和濕度對(duì)激光波長(zhǎng)的影響,因此需要對(duì)通過(guò)本發(fā)明方法獲得的液位值進(jìn)行相應(yīng)的修正。根據(jù)容器內(nèi)介質(zhì)的不同,實(shí)時(shí)地測(cè)量各個(gè)影響因素,并根據(jù)表1進(jìn)行液位修正。
表1溫度、壓力、相對(duì)濕度對(duì)激光波長(zhǎng)的影響
權(quán)利要求
1.一種采用激光干涉技術(shù)測(cè)量容器內(nèi)液位的新方法,包括采用激光干涉技術(shù)的儀器和安裝反射鏡的自由態(tài)浮子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光干涉技術(shù)的儀器,其特征在于具有發(fā)射激光束的激光頭和接收反射光的探測(cè)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光干涉技術(shù)的儀器,其特征在于具有根據(jù)干涉條紋數(shù)進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由態(tài)浮子,其特征在于內(nèi)外浮子采用支桿或柔性輕質(zhì)吊絲等方式進(jìn)行連接,保證內(nèi)浮子能夠接近自由態(tài)運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由態(tài)浮子,其特征在于浮子內(nèi)安裝用于反射激光束的反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由態(tài)浮子,其特征在于浮子通過(guò)導(dǎo)軌等約束裝置限制自由態(tài)浮子的水平移動(dòng)范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由態(tài)浮子,其特征在于內(nèi)浮子采用抗腐蝕材料進(jìn)行制造, 外觀為規(guī)則幾何形體構(gòu)成,并且重心位于幾何形體的中軸線。
全文摘要
本發(fā)明方法提出了一種高精度測(cè)量容器內(nèi)液位的新方法。本發(fā)明方法通過(guò)利用激光干涉技術(shù)在長(zhǎng)度測(cè)量上的高精度特性,結(jié)合漂浮在液體表面的自由態(tài)浮子反射裝置進(jìn)行液位的測(cè)量。通過(guò)基于本發(fā)明方法的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)容器內(nèi)全量程范圍的均勻分散的不同液位進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)針對(duì)各個(gè)影響因素對(duì)激光干涉儀器的影響進(jìn)行修正,并與對(duì)比液位計(jì)的示值進(jìn)行比較,得出本發(fā)明方法的準(zhǔn)確度能夠達(dá)到0.1mm。通過(guò)本發(fā)明方法,不僅能夠?qū)?shí)時(shí)地測(cè)量容器內(nèi)的液位值,而且基于本發(fā)明方法的高精度特性,可以對(duì)目前各種類型的液位計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確度評(píng)價(jià),這樣不僅有助于廣大用戶進(jìn)行液位計(jì)選型,定時(shí)標(biāo)定液位計(jì),而且能夠推動(dòng)各個(gè)液位計(jì)生產(chǎn)廠家提高自己的技術(shù)水平,為高精度液位計(jì)在油品交接過(guò)程中的推廣奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01F23/64GK102478418SQ201110109559
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者孫江, 孫金革, 宋春芳, 張永波, 朱文俊, 李建穎, 楊忠民, 王玉清, 白胤, 鄭鶴, 陳春林 申請(qǐng)人:國(guó)家大容量第一計(jì)量站