專利名稱：一種非接觸式單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬液位測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)
量裝置。
背景技術(shù)：
液態(tài)金屬是高電導(dǎo)率的金屬，目前其液位測(cè)量方法主要有探針式液位測(cè)量方法、差壓式液位測(cè)量方法和電感應(yīng)式液位測(cè)量方法。探針式液位測(cè)量是一種接觸式液位計(jì)，其工作原理是利用在探針和容器表面分別加入電極，當(dāng)金屬液面接觸探針電極時(shí)便構(gòu)成閉合回路，從而輸出相應(yīng)電信號(hào)。其缺點(diǎn)在于液態(tài)金屬蒸汽可能凝結(jié)在絕緣體上，破壞絕緣層，造成誤接通；金屬氧化物沉積在電接 點(diǎn)上，使電導(dǎo)通性能下降。因此，探針式液位計(jì)只適用于溫度較低的短期測(cè)量，并且對(duì)液態(tài)金屬的腐蝕性能也有嚴(yán)格要求，降低了其適用范圍。差壓式液位測(cè)量是一種接觸式液位計(jì)，其工作原理是利用引壓管將液態(tài)金屬引出，測(cè)量壓力差，從而可以得到液位高度。其缺點(diǎn)在于需要將引壓管安裝在液態(tài)金屬容器表面，可能影響容器的完整性；高溫液態(tài)金屬的壓差測(cè)量精度難以保證，從而影響了液位測(cè)量的精度。電感式液位測(cè)量是一種非接觸式液位計(jì)，其工作原理是利用電感線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)，液態(tài)金屬切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電磁信號(hào)，從而得到液位高度。其缺點(diǎn)在于液態(tài)金屬的介電性能會(huì)影響電磁信號(hào)，從而影響液位信號(hào)的精度和可靠性；電感線圈的絕緣層在高溫環(huán)境下，易于老化，不適合長(zhǎng)期工作。綜上，以上測(cè)量原理的局限性限制了液位測(cè)量裝置的使用范圍和測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種非接觸式單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，提高液位測(cè)量精度及使用范圍，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種非接觸式單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，包括第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二直流步進(jìn)電機(jī)5、第一密封件2和第二密封件7、電路箱3、嚙合齒輪4、密封殼6、上法蘭8、下法蘭9、感應(yīng)探頭10、升降套管11、液位探針12、液態(tài)金屬13和被測(cè)容器14 ;所述升降套管11由內(nèi)套管IlA和外套管IlC構(gòu)成，外套管IlC和內(nèi)套管IlA同心布置；液態(tài)金屬13置于被測(cè)容器14中；上法蘭8和下法蘭9利用螺釘連接，并用第二密封件7密封上法蘭8和下法蘭9，同時(shí)下法蘭9固定在被測(cè)容器14的上邊緣；感應(yīng)探頭10利用過(guò)盈配合固定在升降套管11的內(nèi)套管IlA的末端，外套管IlC利用軸承固定在上法蘭8和下法蘭9的軸承上能夠旋轉(zhuǎn)；在升降套管11的外套管IlC的末端連接一對(duì)包括主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的嚙合齒輪4，嚙合齒輪4運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外套管IlC上下軸向運(yùn)動(dòng)，其中主動(dòng)齒輪連接著第二直流步進(jìn)電機(jī)5，升降套管11的內(nèi)套管IIA的頂端固定第一直流步進(jìn)電機(jī)I，第一直流步進(jìn)電機(jī)I的驅(qū)動(dòng)線連接至電路箱3 ;密封殼6焊接在上法蘭8上；電路箱3固定在密封殼6內(nèi)壁，在電路箱3和密封殼6兩者連接處固定第一密封件2 ;電路箱3內(nèi)部固定有信號(hào)處理系統(tǒng)3a、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b和無(wú)線傳輸系統(tǒng)3c,感應(yīng)探頭10的輸出連接至信號(hào)處理系統(tǒng)3a ；當(dāng)感應(yīng)探頭10恰能測(cè)到液態(tài)金屬13時(shí)，感應(yīng)探頭10則輸出信號(hào)至電路箱3內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)3a,該信號(hào)觸發(fā)電路箱3內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b驅(qū)動(dòng)第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二步直流進(jìn)電機(jī)5運(yùn)動(dòng)；其中第一直流步進(jìn)電機(jī)I的輸出軸帶動(dòng)內(nèi)套管IlA上下運(yùn)動(dòng)，第二直流步進(jìn)電機(jī)5通過(guò)平鍵連接帶動(dòng)嚙合齒輪4旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)內(nèi)套管IlC上下運(yùn)動(dòng)，從而使感應(yīng)探頭10運(yùn)動(dòng)；信號(hào)處理系統(tǒng)3a不斷監(jiān)測(cè)感應(yīng)探頭10的信號(hào)輸出，直至信號(hào)處理系統(tǒng)3a輸出值為感應(yīng)探頭10檢測(cè)的液態(tài)金屬13液面最大距離時(shí)輸出的信號(hào)值,此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)3b驅(qū)動(dòng)升降套管11停止運(yùn)動(dòng)；若感應(yīng)探頭10輸出信號(hào)值一旦偏離感應(yīng)探頭10最大檢測(cè)距離的信號(hào)值時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b將驅(qū)動(dòng)第一直流步進(jìn)電機(jī)1，第一直流步進(jìn)電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)內(nèi)套管IlA上下運(yùn)動(dòng)，從而使感應(yīng)探頭10運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中信號(hào)處理系統(tǒng)3a不斷監(jiān)測(cè)從感應(yīng)探頭10輸出的關(guān)于液態(tài)金屬13液面的信號(hào)，直至信號(hào)處理系統(tǒng)3a輸出值為感應(yīng)探頭10檢測(cè)的液態(tài)金屬13液面最大距離時(shí)輸出的信號(hào)值,此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)3b驅(qū)動(dòng)升降套管11停止運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b記錄步進(jìn)角，經(jīng)過(guò)相關(guān)換算便得到感應(yīng)探頭10的升降距離，實(shí)時(shí)間接得到液態(tài)金屬液面的位置或高度；信號(hào)處理系統(tǒng)3a將直流步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)方向參數(shù)由無(wú)線傳輸系統(tǒng)3c透過(guò)第一密封件發(fā)送至外部Zigbee收發(fā)模塊M3,由Zigbee收發(fā)模塊M3傳輸給計(jì)算機(jī)M4,由計(jì)算機(jī)計(jì)算分析傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)獲取感應(yīng)探頭10的位置，從而間接的得到液態(tài)金屬13的液位。所述測(cè)量裝置還包括用于自動(dòng)校準(zhǔn)感應(yīng)探頭10和防止感應(yīng)探頭10接觸高溫液態(tài)金屬的兩個(gè)液位探針12，所述液位探針12連接固定在升降套管11的外套管IlC上；液位探針12自動(dòng)校準(zhǔn)和防止感應(yīng)探頭10接觸高溫液態(tài)金屬的過(guò)程如下升降套管11帶動(dòng)液位探針12恰接觸液態(tài)金屬13的液面，此時(shí)液位探針12輸出一個(gè)信號(hào)；升降套管11帶動(dòng)感應(yīng)探頭10上下運(yùn)動(dòng)至其恰能輸出一個(gè)信號(hào)，此時(shí)感應(yīng)探頭10輸出一個(gè)信號(hào)；將液位探針12和感應(yīng)探頭10輸出的信號(hào)經(jīng)相關(guān)算法處理后轉(zhuǎn)換成兩者的相對(duì)距離，這個(gè)距離便為感應(yīng)探頭10的最大檢測(cè)距離；同時(shí)液位探針12在測(cè)量過(guò)程中可防止液態(tài)金屬液面快速上升時(shí)，液面接觸到感應(yīng)探頭10，即測(cè)量過(guò)程中液位探針12 —旦接觸到液態(tài)金屬，便觸發(fā)感應(yīng)探頭10快速抬起，防止感應(yīng)探頭10接觸高溫液態(tài)金屬。所述感應(yīng)探頭10為能耐600°C的非接觸式傳感器，用于惡劣高溫環(huán)境中，以免維護(hù)。所述第一密封件2的密封結(jié)構(gòu)為在密封殼上安裝電路箱連接處固定一梯形非屏蔽型SiO2玻璃2C，梯形非屏蔽型SiO2玻璃2C的兩面均有密封圈2B和2D進(jìn)行密封。所述第二密封處7的密封結(jié)構(gòu)為上法蘭8和下法蘭9用螺釘連接壓緊，在上法蘭8連接處開(kāi)有兩個(gè)環(huán)形槽8A和8B，將耐600°C高溫的兩個(gè)密封圈9A和9B置于兩個(gè)環(huán)形槽8A和8B中，利用上法蘭8和下法蘭9的預(yù)緊力使兩個(gè)密封圈9A和9B產(chǎn)生變形,從而達(dá)到密封的效果。所述信號(hào)處理系統(tǒng)3a硬件以TMS2812DSP芯片為核心，感應(yīng)探頭10的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，由光電隔離電路進(jìn)行信號(hào)隔離后將信號(hào)輸入至TMS2812DSP芯片的模擬輸入端口進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)保存至存儲(chǔ)系統(tǒng)中；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b利用TMS2812DSP輸出的PWM脈沖經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管功率放大后控制第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二直流步進(jìn)電機(jī)5的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速；所述無(wú)線傳輸系統(tǒng)3c以Zigbee無(wú)線傳輸模塊為核心,信號(hào)處理系統(tǒng)3a的TMS2812DSP芯片將第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二直流步進(jìn)電機(jī)5運(yùn)動(dòng)參數(shù)和感應(yīng)探頭10的信號(hào)經(jīng)RS232接口傳輸至Zigbee無(wú)線傳輸模塊。本發(fā)明裝置與現(xiàn)有液態(tài)金屬液位計(jì)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明提高液位測(cè)量精度及使用范圍，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠。(2)本發(fā)明裝置具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能。能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送校準(zhǔn)指令，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后，輸出相應(yīng)的控制脈沖，并對(duì)脈沖經(jīng)行功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)探頭進(jìn)行自校準(zhǔn)(此內(nèi)容應(yīng)在說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求書(shū)中進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，否則優(yōu)點(diǎn)部分無(wú)從談起)，并且可以在線實(shí)時(shí)消除系統(tǒng)累計(jì)誤差，也減小了由于使用工況不同而造成的環(huán)境誤差。(3)本發(fā)明裝置可以應(yīng)用于具有密封要求的環(huán)境中。本發(fā)明在上法蘭被測(cè)容器連接處和密封件處均設(shè)置了密封件。采用相關(guān)密封件，可以很好的保證系統(tǒng)的密封性，且采用 無(wú)線信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，避免了有線通信方式所帶來(lái)的導(dǎo)線輸出端密封難的問(wèn)題，因此安全可靠，適合壓力容器或其它對(duì)真空有一定要求的容器金屬液位測(cè)量。(4)本發(fā)明裝置使用方便、操作簡(jiǎn)單?？傊?，本發(fā)明所利用的測(cè)量原理可以最大限度的減少這些局限性，從而使液位計(jì)使用范圍和測(cè)量精度大大提高，并且具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能和密封功能，可以提高系統(tǒng)精度和增加其使用范圍，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠。


圖I為本發(fā)明的液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中感應(yīng)探頭與液位探針結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明液位高度測(cè)量原理示意圖；圖4為本發(fā)明上、下法蘭處密封件結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明電路箱處密封件結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明信號(hào)處理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理框圖；圖7為本發(fā)明無(wú)線通信系統(tǒng)原理框圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明實(shí)施的非接觸單點(diǎn)液態(tài)金屬液位裝置的包括第一直流步進(jìn)電機(jī)I、第二直流步進(jìn)電機(jī)5、第一密封件2和第二密封件7、電路箱3、嚙合齒輪4、密封殼6、上法蘭8、下法蘭9、感應(yīng)探頭10、升降套管11和兩個(gè)液位探針12組成。下法蘭9固定在被測(cè)容器14的上邊緣，液位探針12利用螺紋連接固定在升降套管11的外側(cè)末端，感應(yīng)探頭10利用過(guò)盈配合固定在升降套管11的內(nèi)側(cè)末端，升降套管11利用軸承固定在上法蘭8和下法蘭9上，上法蘭8和下法蘭9利用螺釘連接，并用第二密封件7密封上法蘭8和下法蘭9，在升降套管11的末端連接一對(duì)嚙合齒輪4 (包括主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪)，主動(dòng)齒輪連接著第二直流步進(jìn)電機(jī)5，升降套管的頂端固定第一直流步進(jìn)電機(jī)I。密封殼6焊接在上法蘭8上，電路箱3固定在密封殼6內(nèi)壁，在兩者連接處固定第一密封件2。電路箱3內(nèi)部固定有信號(hào)處理系統(tǒng)3a、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b和無(wú)線傳輸系統(tǒng)3c。
本發(fā)明實(shí)施的非接觸單點(diǎn)液態(tài)金屬液位裝置可在線測(cè)量600°C以下的液態(tài)金屬的液面，其具體實(shí)施步驟為第一步，安裝升降套管11，并利用軸承固定在上法蘭8上。在升降套管11的內(nèi)套管安裝感應(yīng)探頭10，在外套管安裝液位探針12，并將其引線沿著升降套管11的中間孔引出至電路箱3。在升降套管11的頂部安裝第一直流步進(jìn)電機(jī)1，第一直流步進(jìn)電機(jī)I可以帶動(dòng)內(nèi)套管IlA上下運(yùn)動(dòng)，第二直流步進(jìn)電機(jī)5通過(guò)帶動(dòng)安裝在外套管IlC上的嚙合齒輪4旋轉(zhuǎn)。在安裝升降套管11時(shí)，固定其初始位置，并在電路箱3中的信號(hào)處理系統(tǒng)3a中記錄該初始位置。第二步，利用電路箱3的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b發(fā)送PWM脈沖給第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二直流步進(jìn)電機(jī)5，使第一直流步進(jìn)電機(jī)I帶動(dòng)內(nèi)套管IIA頂端的感應(yīng)探頭10上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)恰好有信號(hào)輸出時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)3a記錄此時(shí)感應(yīng)探頭10的相對(duì)位置，由于在安裝時(shí)，其初始位置是一定的，利用信號(hào)處理系統(tǒng)3a處理后間接得到感應(yīng)探頭10的絕對(duì)位置，也即液面的絕對(duì)位置。當(dāng)被測(cè)液態(tài)金屬13液面上升或下降時(shí)，感應(yīng)探頭10輸出信號(hào)會(huì)增加或 減弱，通過(guò)系統(tǒng)分析，驅(qū)動(dòng)探頭上下運(yùn)動(dòng)，直至其恰好有信號(hào)輸出時(shí)，記錄該位置便是液態(tài)金屬液面的位置或高度。以上過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，可以動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量液態(tài)金屬的液面。第三步，將液面位置(或高度)信息通過(guò)電路箱3內(nèi)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)3c發(fā)送至外界計(jì)算機(jī)無(wú)線接收模塊，無(wú)線接收模塊將被測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)上。可對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和利用。感應(yīng)探頭10安裝在升降套管11的內(nèi)套管的末端，外套管和內(nèi)套管之間有精密細(xì)牙螺紋連接，當(dāng)外套管固定后，第一直流步進(jìn)電機(jī)I是可通過(guò)螺母一螺桿副機(jī)構(gòu)帶動(dòng)內(nèi)套管上下運(yùn)動(dòng)。為消除初始螺紋間隙誤差，可以在本發(fā)明裝置啟動(dòng)前進(jìn)行微動(dòng)，消除螺紋間隙后，方可正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。當(dāng)感應(yīng)探頭10與金屬液面13距離在最大檢測(cè)距離時(shí)，便可以得到一個(gè)液位位置信號(hào)，當(dāng)液面上升和下降時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b會(huì)根據(jù)相應(yīng)的控制程序驅(qū)動(dòng)感應(yīng)探頭10上下運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到感應(yīng)探頭10與金屬液面13距離保持恒定，這樣，在初始安裝位置確定的情況下，便可以間接得到金屬液面的位置(或高度)。升降套管11是利用滑動(dòng)軸承固定在上法蘭8和下法蘭9上的，底座固定在被測(cè)容器的下法蘭9上，兩者需要進(jìn)行密封，以保證對(duì)真空度有一定要求的壓力容器使用要求。第二直流步進(jìn)電機(jī)5帶動(dòng)主動(dòng)直齒輪旋轉(zhuǎn)，被動(dòng)直齒輪固定在外套管上，兩個(gè)齒輪軸向均固定，外套管上有細(xì)牙精密外螺紋和被動(dòng)直齒輪內(nèi)螺紋配合，當(dāng)兩者發(fā)生圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，外套管便可以上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)外套管上下運(yùn)動(dòng)。外套管底端裝有直流探針。內(nèi)套管內(nèi)部為中空，可以走信號(hào)線。電路箱3內(nèi)部安裝有信號(hào)處理系統(tǒng)3a、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b和無(wú)線傳輸系統(tǒng)3c。這三個(gè)系統(tǒng)配有相應(yīng)的控制電路板和24V直流電源。電路箱3內(nèi)部均有隔熱材料，并且四周布有直流靜音散熱風(fēng)扇。散熱風(fēng)扇為智能系統(tǒng)，可以根據(jù)內(nèi)部環(huán)境的溫度自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，以充分節(jié)約電能。主控制電路板主要控制2個(gè)直流24V精密步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。輔助控制電路板主要用于控制系統(tǒng)與外界進(jìn)行無(wú)線通信。在測(cè)量裝置外部有一個(gè)不銹鋼304的密封殼6。密封殼6在安裝電路箱3處開(kāi)有一個(gè)孔，并采用第二密封件2進(jìn)行密封，其主要目的是將無(wú)線信號(hào)無(wú)障礙的傳輸?shù)酵饨纾槐幻芊鈿?金屬材料屏蔽。
圖2表示感應(yīng)探頭10與液位探針12結(jié)構(gòu)圖。感應(yīng)探頭10固定在內(nèi)套管的末端，兩者通過(guò)過(guò)盈配合連接，液位探針12固定在外套管IlC的末端。其中，感應(yīng)探頭10為線性接近開(kāi)關(guān)，其檢測(cè)最大距離為8mm，頻響為5KHz，液位探針12包括兩個(gè)探針，分別為電極的兩極。由于不同的測(cè)量介質(zhì)的介電系數(shù)會(huì)有所波動(dòng)。在檢測(cè)前，需要利用固定在外套管上的液位探針12進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。具體校準(zhǔn)過(guò)程為I)將其中液位探針12上電，該探針為帶有TTL電平電極的探針12A，另一個(gè)液位探針為接收電平探針12B，兩個(gè)探針用螺紋連接固定在外套管IlC上。在液態(tài)金屬液面還未接觸到液位探針12時(shí)，接收電平探針12B無(wú)信號(hào)；2)利用圖I中的第一直流步進(jìn)電機(jī)I使外套管以2mm/s的速度勻速下降，直至接收電平探針12B有觸發(fā)信號(hào)輸出，并觸發(fā)TMS2812DSP外部中斷，此時(shí)，可以認(rèn)為液位探針12已接觸到液態(tài)金屬13的液面；
3)為提高精度，TMS2812DSP內(nèi)部的控制程序會(huì)自動(dòng)調(diào)整液位探針10高度，直至其接觸金屬液面13為單點(diǎn)接觸，那么此時(shí)記下外套管的位置HO ；4)利用圖I中的第一直流步進(jìn)電機(jī)I使內(nèi)套管以lmm/s的速度勻速下降，直至感應(yīng)探頭10輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，此時(shí)可以認(rèn)為感應(yīng)探頭10距金屬液面的距離是其檢測(cè)該種工況下介質(zhì)的最大檢測(cè)距離；5)為提高精度，控制程序自動(dòng)調(diào)整感應(yīng)探頭10高度，直至其恰能輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，且該信號(hào)電平大小為T(mén)MS2812DSP中斷引腳所能觸發(fā)的最小信號(hào)，此次記下內(nèi)套管IlA的位置H1。通過(guò)以上校準(zhǔn)步驟可以得到感應(yīng)探頭(10)檢測(cè)液位的最大距離為L(zhǎng)max = Hl-HOie其中，ε為系統(tǒng)誤差，其值為第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二直流步進(jìn)電機(jī)5步進(jìn)角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝誤差之和，單位為mm。利用精密加工技術(shù)和第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二直流步進(jìn)電機(jī)5步進(jìn)角誤差補(bǔ)償?shù)姆绞?，最終可以得到ε ^ O. Imm外套管IlC和內(nèi)套管IlA均有中空段，耐高溫阻燃信號(hào)線IlB可以在其內(nèi)部走線，使測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊。圖3為本發(fā)明液位高度測(cè)量原理圖。本發(fā)明中一對(duì)嚙合直齒輪4由直流步進(jìn)電機(jī)5帶動(dòng)其正反旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)探頭10固定在內(nèi)套管IlA中，內(nèi)套管IlA隨嚙合齒輪4的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)感應(yīng)探頭10上下運(yùn)動(dòng)。由一對(duì)嚙合齒輪4的齒輪副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和螺紋一螺母副機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，可得其運(yùn)動(dòng)的距離為
〃 · / ■ AlΗ2 二-—
1600其中，Η2為感應(yīng)探頭10移動(dòng)距離，Λ I為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單步折合距離，以上單位均為mm。η為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b發(fā)出的PWM脈沖數(shù)，i為機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。上式中,η是可以通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)3a精確計(jì)數(shù)的，其它參數(shù)為裝置已知參數(shù)。因此，可以在線實(shí)時(shí)得到感應(yīng)探頭10移動(dòng)的距離H2。嚙合齒輪4初始安裝的高度HO由裝置的實(shí)際安裝確定。感應(yīng)探頭10檢測(cè)金屬液面的距離Hl可以通過(guò)圖3中描述的方法確定。這樣，便可以得到金屬液位的高度H，如下H = H0-H1-H2其中，HO由裝置安裝獲取的，H2是通過(guò)處理系統(tǒng)精確計(jì)數(shù)PWM脈沖來(lái)獲取，Hl是通過(guò)實(shí)際校準(zhǔn)來(lái)獲取的。通過(guò)上述測(cè)量和計(jì)算便可以得到液位的高度。圖4為本發(fā)明上法蘭8和下法蘭9處第二密封件7結(jié)構(gòu)示意圖。第二密封件7主要密封連接液位測(cè)量裝置底板和被測(cè)容器14的上法蘭8。為增加密封可靠性采用雙密封，即耐高溫O型橡膠圈9A和中空金屬密封圈9B。設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則是第二密封件7要能夠與密封面9C緊密密封面線接觸，具有裝配間隙和熱脹冷縮間隙，留有一定的預(yù)緊變形空間。本發(fā)明中兩個(gè)密封圈均置于環(huán)形槽8A和環(huán)形槽SB中，環(huán)形槽8A和環(huán)形槽SB的寬度與密封圈9A和密封圈9B直徑的關(guān)系為W = D+0. 2 其中，W為環(huán)形槽的寬度，D為密封圈直徑，單位為mm。這樣開(kāi)槽的目的是使環(huán)形槽和密封圈為間隙配合，達(dá)到線接觸密封的效果。環(huán)形槽的深度與密封圈直徑的關(guān)系為H= I. 25D其中，H為環(huán)形槽的深度，D為密封圈直徑，單位為mm。這樣開(kāi)槽的目的是使密封圈與兩密封面緊密貼合，達(dá)到最佳的密封效果。對(duì)于密封接觸面，其局部平面度不大于
O.Olmm,粗糙度不大于3. 2 μ m。中空金屬密封圈9B可塑性較強(qiáng)，疲勞強(qiáng)度較好，可以避免因外界溫度變化而造成材料蠕變的影響，熱脹冷縮效應(yīng)對(duì)其影響較小，可提高其使用壽命。圖5為本發(fā)明電路箱3處密封件結(jié)構(gòu)示意圖。發(fā)明中利用玻璃密封，這是因?yàn)楸景l(fā)明所述的測(cè)量裝置可用于有真空度要求的壓力容器中，因此需要對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行密封，傳統(tǒng)的導(dǎo)線是不易密封的，這里不采用導(dǎo)線傳輸數(shù)據(jù)，采用無(wú)線傳輸方式。為避免密封殼6對(duì)無(wú)線信號(hào)的屏蔽，密封殼開(kāi)了一個(gè)IOmmxlOmm的孔,并用非屏蔽梯形SiO2玻璃(2C)和雙密封件2B和2D密封。第一密封件2采用矩形密封墊2B和2D，耐溫可達(dá)600°C。采用矩形密封墊2B和2D可以增加密封接觸面的面積，防止密封墊密封面與玻璃接觸面2E過(guò)小而產(chǎn)生應(yīng)力集中，可以加大預(yù)緊力來(lái)保證密封效果。圖6為本發(fā)明信號(hào)處理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b原理框圖。信號(hào)處理3a和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b均安裝在電路箱3內(nèi)部。信號(hào)處理系統(tǒng)3a以TMS2812DSP為核心，外界測(cè)量信號(hào)經(jīng)濾波放大單元進(jìn)行濾波和放大處理，然后連接至A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào)，以供TMS2812DSP分析處理。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3b是由TMS2812DSP輸出PWM脈沖，該脈沖經(jīng)功率放大單元放大后經(jīng)光電隔離單元隔離后輸出至第一直流步進(jìn)電機(jī)I和第二直流步進(jìn)電機(jī)5的4根驅(qū)動(dòng)線上。圖7為本發(fā)明無(wú)線通信系統(tǒng)3c (圖I所示)原理框圖。無(wú)線通信系統(tǒng)包括信號(hào)處理單元Ml、RS232串口模塊M2、Zigbee收發(fā)模塊M3。以上模塊均在同一塊雙層電路板上，電路板的設(shè)計(jì)充分考慮干擾、信號(hào)濾波隔離。在本發(fā)明裝置之外布置Zigbee的收發(fā)模塊M4和計(jì)算機(jī)M5。信號(hào)處理單元Ml將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄、分析后由RS232串口模塊M2傳輸至Zigbee收發(fā)模塊M3, Zigbee收發(fā)模塊M3將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至連接在計(jì)算機(jī)M5上的Zigbee收發(fā)模塊M4，最終由計(jì)算機(jī)讀取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)了高溫液態(tài)金屬液位的非接觸測(cè)量。它不僅可以用于普通的液態(tài)金屬液位測(cè)量，還可以適用于具有真空度要求的壓力容器中高溫液態(tài)金屬液位的精確測(cè)量以及具有腐蝕性液態(tài)金屬的液位測(cè)量。它可以針對(duì)不同的液態(tài)金屬特性進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，減少系統(tǒng)測(cè)量誤差。長(zhǎng)時(shí)間使用后，可利用本發(fā)明裝置的自動(dòng)校準(zhǔn)功能，去除系統(tǒng)的累計(jì)誤差，提高測(cè)量精度，減少了工作人員系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，其特征在于包括第一直流步進(jìn)電機(jī)(I)和第二直流步進(jìn)電機(jī)(5 )、第一密封件(2 )和第二密封件(7 )、電路箱(3 )、嚙合齒輪(4 )、密封殼(6)、上法蘭(8)、下法蘭(9)、感應(yīng)探頭(10)、升降套管(11)、液位探針(12)、液態(tài)金屬(13)和被測(cè)容器(14);所述升降套管(11)由內(nèi)套管(IlA)和外套管(IlC)構(gòu)成，外套管(IlC)和內(nèi)套管(IlA)同心布置；液態(tài)金屬(13)置于被測(cè)容器(14)中；上法蘭(8)和下法蘭(9 )利用螺釘連接，并用第二密封件(7 )密封上法蘭(8 )和下法蘭(9 )，同時(shí)下法蘭(9 )固定在被測(cè)容器(14)的上邊緣；感應(yīng)探頭(10)利用過(guò)盈配合固定在升降套管(11)的內(nèi)套管(IlA)的末端，外套管(IlC)利用軸承固定在上法蘭(8)和下法蘭(9)的軸承上能夠旋轉(zhuǎn)；在升降套管(11)的外套管(IlC)的末端連接一對(duì)包括主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的嚙合齒輪(4)，嚙合齒輪(4)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外套管(IlC)上下軸向運(yùn)動(dòng)，其中主動(dòng)齒輪連接著第二直流步進(jìn)電機(jī)(5)，升降套管(11)的內(nèi)套管(IlA)的頂端固定第一直流步進(jìn)電機(jī)(1)，第一直流步進(jìn)電機(jī)(I)的驅(qū)動(dòng)線連接至電路箱(3);密封殼(6)焊接在上法蘭(8)上；電路箱(3)固定在密封殼(6 )內(nèi)壁，在電路箱(3 )和密封殼(6 )兩者連接處固定第一密封件(2 );電路箱(3 )內(nèi)部固定有信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(3b)和無(wú)線傳輸系統(tǒng)(3c),感應(yīng)探頭(10)的輸出連接至信號(hào)處理系統(tǒng)(3a); 當(dāng)感應(yīng)探頭(10 )恰能測(cè)到液態(tài)金屬(13 )時(shí)，感應(yīng)探頭(10 )則輸出信號(hào)至電路箱(3 )內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)，該信號(hào)觸發(fā)電路箱(3)內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(3b)驅(qū)動(dòng)第一直流步進(jìn)電機(jī)(I)和第二步直流步進(jìn)電機(jī)(5)運(yùn)動(dòng)；其中第一直流步進(jìn)電機(jī)(I)的輸出軸帶動(dòng)內(nèi)套管(IlA)上下運(yùn)動(dòng)，第二直流步進(jìn)電機(jī)(5)通過(guò)平鍵連接帶動(dòng)嚙合齒輪(4)旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)內(nèi)套管(11C)上下運(yùn)動(dòng)，從而使感應(yīng)探頭(10)運(yùn)動(dòng)；信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)不斷監(jiān)測(cè)感應(yīng)探頭(10)的信號(hào)輸出，直至信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)輸出值為感應(yīng)探頭(10)檢測(cè)的液態(tài)金屬(13)液面最大距離時(shí)輸出的信號(hào)值，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)(3b)驅(qū)動(dòng)升降套管(11)停止運(yùn)動(dòng)；若感應(yīng)探頭(10)輸出信號(hào)值一旦偏離感應(yīng)探頭(10)最大檢測(cè)距離的信號(hào)值時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(3b)將驅(qū)動(dòng)第一直流步進(jìn)電機(jī)(1)，第一直流步進(jìn)電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)內(nèi)套管(IlA)上下運(yùn)動(dòng)，從而使感應(yīng)探頭(10)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)不斷監(jiān)測(cè)從感應(yīng)探頭(10)輸出的關(guān)于液態(tài)金屬(13)液面的信號(hào),直至信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)輸出值為感應(yīng)探頭(10)檢測(cè)的液態(tài)金屬(13)液面最大距離時(shí)輸出的信號(hào)值，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)(3b)驅(qū)動(dòng)升降套管(11)停止運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(3b )記錄步進(jìn)角，經(jīng)過(guò)相關(guān)換算便得到感應(yīng)探頭(10)的升降距離，實(shí)時(shí)間接得到液態(tài)金屬(13)液面的位置或高度；信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)將直流步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)方向參數(shù)由無(wú)線傳輸系統(tǒng)(3c)透過(guò)第一密封件發(fā)送至外部Zigbee收發(fā)模塊(M3)，由Zigbee收發(fā)模塊(M3)傳輸給計(jì)算機(jī)(M4)，由計(jì)算機(jī)(M4)計(jì)算分析傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)獲取感應(yīng)探頭(10)的位置，從而間接的得到液態(tài)金屬(13)的液位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，其特征在于所述測(cè)量裝置還包括用于自動(dòng)校準(zhǔn)感應(yīng)探頭(10 )和防止感應(yīng)探頭(10 )接觸高溫液態(tài)金屬的兩個(gè)液位探針(12)，所述液位探針(12)連接固定在升降套管(11)的外套管(IlC)上；液位探針(12)自動(dòng)校準(zhǔn)和防止感應(yīng)探頭(10)接觸高溫液態(tài)金屬的過(guò)程如下升降套管(11)帶動(dòng)液位探針(12)恰接觸液態(tài)金屬(13)的液面，此時(shí)液位探針(12)輸出一個(gè)信號(hào)；升降套管(11)帶動(dòng)感應(yīng)探頭(10)上下運(yùn)動(dòng)至其恰能輸出一個(gè)信號(hào)，此時(shí)感應(yīng)探頭(10)輸出一個(gè)信號(hào)；將液位探針(12)和感應(yīng)探頭(10)輸出的信號(hào)經(jīng)相關(guān)算法處理后轉(zhuǎn)換成兩者的相對(duì)距離，這個(gè)距離便為感應(yīng)探頭(10)的最大檢測(cè)距離；同時(shí)液位探針(12)在測(cè)量過(guò)程中可防止液態(tài)金屬液面快速上升時(shí)，液面接觸到感應(yīng)探頭(10)，即測(cè)量過(guò)程中液位探針(12)—旦接觸到液態(tài)金屬，便觸發(fā)感應(yīng)探頭(10)快速抬起,防止感應(yīng)探頭(10)接觸高溫液態(tài)金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，其特征在于所述感應(yīng)探頭(10)為能耐600°C的非接觸式傳感器，用于惡劣高溫環(huán)境中，以免維護(hù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，其特征在于所述第一密封件(2)的密封結(jié)構(gòu)為在密封殼(6)上安裝電路箱(2)的連接處固定一梯形非屏蔽型SiO2玻璃(2C)，梯形非屏蔽型SiO2玻璃(2C)的兩面均有密封圈(2B和2D)進(jìn)行密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，其特征在于所述第二密封處(7)的密封結(jié)構(gòu)為上法蘭(8)和下法蘭(9)用螺釘連接壓緊，在上法蘭(8)連接處開(kāi)有兩個(gè)環(huán)形槽(8A和8B)，將耐600°C高溫的兩個(gè)密封圈(9A和9B)置于兩個(gè)環(huán)形槽(8A和8B)中，利用上法蘭(8)和下法蘭(9)的預(yù)緊力使兩個(gè)密封圈(9A和9B)產(chǎn)生變形,從而達(dá)到密封的效果。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)硬件以TMS2812DSP芯片為核心，感應(yīng)探頭(10)的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，由光電隔離電路進(jìn)行信號(hào)隔離后將信號(hào)輸入至TMS2812DSP芯片的模擬輸入端口進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)保存至存儲(chǔ)系統(tǒng)中；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(3b)利用TMS2812DSP輸出的PWM脈沖經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管功率放大后控制第一直流步進(jìn)電機(jī)(I)和第二直流步進(jìn)電機(jī)(5)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速；所述無(wú)線傳輸系統(tǒng)(3c)以Zigbee無(wú)線傳輸模塊為核心,信號(hào)處理系統(tǒng)(3a)的TMS2812DSP芯片將第一直流步進(jìn)電機(jī)(I)和第二直流步進(jìn)電機(jī)(5)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和感應(yīng)探頭(10)的信號(hào)經(jīng)RS232接口傳輸至Zigbee無(wú)線傳輸模塊。
全文摘要
一種非接觸式單點(diǎn)液態(tài)金屬液位測(cè)量裝置，由感應(yīng)探頭、升降套管、液位探針、直流步進(jìn)電機(jī)、上法蘭盤(pán)、下法蘭盤(pán)、密封殼、嚙合齒輪、密封件、信號(hào)處理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)線傳輸系統(tǒng)組成感應(yīng)探頭檢測(cè)被測(cè)液態(tài)金屬的自由液面，通過(guò)相應(yīng)的控制算法控制步進(jìn)電機(jī)，從而帶動(dòng)升降套管的升降，以保持感應(yīng)探頭始終非接觸被測(cè)液態(tài)金屬液面，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。通過(guò)液位探針可以自動(dòng)校準(zhǔn)感應(yīng)探頭與液態(tài)金屬液面的最大檢測(cè)距離，并可以防止液面接觸感應(yīng)探頭。裝置密封件可以保證被測(cè)容器的密封性，適合壓力容器金屬液位的測(cè)量。本液位裝置可以測(cè)量高達(dá)600℃液態(tài)金屬的液位，并可長(zhǎng)期使用，可靠性高，具有良好的靈敏度和準(zhǔn)確度，適合于高溫液態(tài)金屬液位的精確非接觸測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F25/00GK102914343SQ201210370050
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者姚傳明, 朱志強(qiáng), 高勝, 王勃, 黃群英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院