專利名稱：光纖液位儀的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種液位自動(dòng)測(cè)量裝置，特別是用于測(cè)量易燃易爆液體的液位的裝置。
二背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外用于測(cè)量易燃易爆液體液位的裝置，具有代表性的已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品有兩種1、光導(dǎo)電子液位儀見“UBG系列光導(dǎo)電子液位儀的重大技術(shù)革新”(《煉油化工自動(dòng)化》，化工部石化總公司自控設(shè)計(jì)中心站出版，專利號(hào)為88200398)，其結(jié)構(gòu)和工作原理如

圖1所示，液位高度用液位傳感器檢測(cè)，檢測(cè)頭由浮標(biāo)2a、連接鋼帶3a、導(dǎo)向輪4a、信息碼帶5a等組成，光信號(hào)經(jīng)光電變送器6a轉(zhuǎn)換為電信號(hào)、用電纜傳送到二次儀表7a、計(jì)算機(jī)8a；采用絕對(duì)式格雷碼編碼和直射式(不用光纖)信號(hào)檢測(cè)，使紅外發(fā)射和接收管直接對(duì)射，提高了紅外光傳輸效率，屬防爆型的儀器。
2、光纖液位計(jì)見“光纖液位計(jì)的原理及特點(diǎn)”(《中國計(jì)量》雜志2001年1月62期P48-49，專利號(hào)93216664)，系統(tǒng)如圖2所示，由檢測(cè)單元(包括浮球8b、鋼絲繩9b、重錘10b、導(dǎo)向輪、繩輪、磁力耦合器等機(jī)械部分)、光纖傳感器11b、傳輸光纖、光電轉(zhuǎn)換器、二次儀表及計(jì)算機(jī)組成。磁力耦合器為磁性浮球8b與隔離導(dǎo)管內(nèi)的磁性重錘12b組成的磁力浮球系統(tǒng)，重錘10b由鋼絲繩9b牽引連接滑輪傳動(dòng)，將液位高度變化轉(zhuǎn)換為光學(xué)編碼盤的旋轉(zhuǎn)，從而確定浮球在油罐內(nèi)的高度。
上述產(chǎn)品不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需專業(yè)人員負(fù)責(zé)安裝、維修，價(jià)格偏高，用戶難于承受，而且還存在以下幾方面的不足1)上述產(chǎn)品的浮標(biāo)(浮球)牽引均為開環(huán)力學(xué)平衡系統(tǒng)浮標(biāo)(浮球)牽引纜繩經(jīng)導(dǎo)向輪與重錘連接組成的力學(xué)平衡系統(tǒng)均為開環(huán)系統(tǒng)。大都是讓牽引纜繩的重錘端安裝在油罐外，浮標(biāo)在不同高度造成導(dǎo)向輪到浮標(biāo)之間纜繩段的長度變化，這段纜繩自重或浸沒在油內(nèi)的纜繩段產(chǎn)生的浮力隨油位高度而變化，隨即影響力學(xué)平衡系統(tǒng)，形成新的平衡狀態(tài)，因而造成測(cè)量誤差。光導(dǎo)液位儀雖然考慮到這一不周，采用兩種不同材料、不同比重、不同長度的纜繩串接來補(bǔ)償誤差的措施，但機(jī)械結(jié)構(gòu)就變得復(fù)雜了。這樣的結(jié)構(gòu)使得它的適用罐型也受到限制，特別是壓力油罐、山洞中的油罐、地下油罐就根本無法使用。
2)為了保證浮標(biāo)(浮球)在牽引纜繩吊裝成鉛直狀態(tài)，這類產(chǎn)品都在油罐內(nèi)采用浮標(biāo)導(dǎo)向裝置1a、1b，既造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使得安裝維護(hù)操作繁雜或難以在線操作，又增加了機(jī)械加工成本。
3)光導(dǎo)液位儀在罐區(qū)將信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，隨即用防爆電纜繩長傳，屬非本質(zhì)安全的防爆型液位儀。
4)光纖液位計(jì)的光學(xué)編碼盤是由經(jīng)導(dǎo)向輪、磁輪的纜繩連接重錘，并靠輪與繩之間的摩擦力拖動(dòng)的，纜繩與輪接觸面只有輪周長的1/4，較易發(fā)生滑動(dòng)錯(cuò)位，從而造成測(cè)量誤差。
三
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的不足，設(shè)計(jì)一種用于測(cè)量易爆液體液位，本質(zhì)安全、測(cè)量精確、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜、易于推廣的光纖液位儀。
為實(shí)現(xiàn)此目的，本實(shí)用新型采用如下結(jié)構(gòu)由液位探測(cè)器及光纖傳感器組成，光纖傳感器包括光學(xué)編碼盤、光纖探測(cè)頭、發(fā)射光纖、接收光纖及光電轉(zhuǎn)換器；液位探測(cè)器包括由上定滑輪、下動(dòng)滑輪、連接于兩滑輪之間的牽引纜繩、設(shè)置于牽引纜繩上的浮標(biāo)、以及連接于下動(dòng)滑輪上的重錘組成的閉合環(huán)路力學(xué)平衡系統(tǒng)；上述的上定滑輪及光學(xué)編碼盤通過磁體相互耦合驅(qū)動(dòng)。
上述磁體采用由多極恒磁體組成的磁盤，該磁盤由釹鐵硼單極磁體對(duì)稱分布銜壓成盤。
上述光學(xué)編碼盤為光斬波調(diào)制型的光學(xué)編碼盤，光學(xué)編碼盤的圓周銑成周期性的分度齒，發(fā)射光纖與接收光纖分置于光學(xué)編碼盤兩側(cè)。
其工作原理是當(dāng)液位變化時(shí)，浮力變化引起浮標(biāo)浮動(dòng)，連接浮標(biāo)的牽引纜繩拉動(dòng)上定滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過強(qiáng)磁耦合磁盤，使光學(xué)編碼盤與上定滑輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，將液位的直線位移變化，線性的轉(zhuǎn)換為光學(xué)編碼盤的圓周角變化。光纖傳感器檢測(cè)光脈沖變化信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、顯示液位高度值本實(shí)用新型與現(xiàn)有產(chǎn)品及設(shè)計(jì)相比，具有如下特點(diǎn)1)浮標(biāo)、牽引纜繩、上、下滑輪及重錘組成閉合環(huán)路力學(xué)平衡系統(tǒng)，兩個(gè)滑輪都有1/2的周長與纜繩緊密接觸，增加了摩擦力、杜絕滑動(dòng)錯(cuò)位。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，整個(gè)系統(tǒng)全部置于油罐內(nèi)，牽引纜繩在錘重重力的作用下，自動(dòng)鉛直，無需導(dǎo)軌裝置，易于安裝，密封隔離方便，機(jī)械系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)絕對(duì)分開，既保證油罐嚴(yán)格密封，又使光學(xué)系統(tǒng)免受油氣污染。儀器適用于常壓、加壓的各種罐型，特別適合于山洞中的油罐、地下罐安裝使用。2)采用多極恒磁體強(qiáng)磁耦合驅(qū)動(dòng)斬波調(diào)制式編碼光盤轉(zhuǎn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造簡便及精度高的特點(diǎn)。3)使用光纖傳感器，光測(cè)光傳，罐區(qū)無電作業(yè)，為本質(zhì)安全型的檢測(cè)設(shè)備。
整套儀器的結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械加工、電路設(shè)計(jì)簡單。經(jīng)試用表明，儀器測(cè)量精度好，本質(zhì)安全、性能穩(wěn)定，安裝簡單，維護(hù)方便，性優(yōu)價(jià)廉，故障率低，有利于批量生產(chǎn)及推廣應(yīng)用。
四以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1是現(xiàn)有的光導(dǎo)電子液位儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是現(xiàn)有的光纖液位計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的光纖液位儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是沿圖3中A-A方向的剖視圖。
圖5是該光纖液位儀中光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)向判別及轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是圖5所示系統(tǒng)的電路原理圖。
五具體實(shí)施方式
如圖3所示，是應(yīng)用于油罐中的光纖液位儀，由液位探測(cè)器及光纖傳感器組成。
光纖傳感器包括光學(xué)編碼盤1、光纖探測(cè)頭2、發(fā)射光纖3、接收光纖4及光電轉(zhuǎn)換器5。上述光學(xué)編碼盤1采用光斬波調(diào)制型，即光學(xué)編碼盤1的圓周銑成周期性的分度齒，發(fā)射光纖3與接收光纖4分置于光學(xué)編碼盤1兩側(cè)。發(fā)射光纖3發(fā)射連續(xù)光，當(dāng)光學(xué)編碼盤1轉(zhuǎn)動(dòng)斬波，由接收光纖4接收光脈沖，進(jìn)行信息檢測(cè)，并由光纖傳輸信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器5、整形電路變成電脈沖，由8951單片機(jī)系統(tǒng)完成設(shè)置、計(jì)數(shù)、并行輸出顯示，同時(shí)串行輸出接口電路與上位機(jī)聯(lián)機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)光測(cè)光傳、現(xiàn)場無電、本質(zhì)安全型的傳感、檢測(cè)。
液位探測(cè)器包括上定滑輪6、下動(dòng)滑輪7、連接于兩滑輪之間的牽引纜繩8、設(shè)置于牽引纜繩上的浮標(biāo)9、以及通過萬向桿10懸掛于下動(dòng)滑輪7的重錘11。浮標(biāo)9、下動(dòng)滑輪7、重錘11置于油罐12內(nèi)。上定滑輪6、光學(xué)編碼盤1及光纖探測(cè)頭2設(shè)置罐體頂部、并用外罩13密封。上定滑輪6通過軸承14a、轉(zhuǎn)軸15a可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)于支撐架16a上，轉(zhuǎn)軸15a的一端設(shè)有磁盤17a。光學(xué)編碼盤1通過軸承14b、轉(zhuǎn)軸15b可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)于支撐架16b上，轉(zhuǎn)軸15b的一端設(shè)有磁盤17b。磁盤17a、17b均由釹鐵硼單極磁體對(duì)稱分布銜壓成盤。由導(dǎo)磁材料做成的隔離盒18密封，使上定滑輪6等機(jī)械系統(tǒng)與光學(xué)編碼盤1等光學(xué)系統(tǒng)絕對(duì)分開，這樣既保證油罐嚴(yán)格密封，又使光學(xué)系統(tǒng)免受油氣污染。
該儀器的工作原理是由上定滑輪6、下動(dòng)滑輪7、牽引纜繩8、浮標(biāo)9、重錘11組成閉合環(huán)路力學(xué)平衡系統(tǒng)。當(dāng)油位變化時(shí)，浮標(biāo)9吃水線移動(dòng)，浮力變化引起浮標(biāo)9浮動(dòng)，連接浮標(biāo)的牽引纜繩8拉動(dòng)上定滑輪6轉(zhuǎn)動(dòng)。上定滑輪6帶動(dòng)與之同軸相連磁盤17a，從而驅(qū)動(dòng)耦合磁盤17b，使光學(xué)編碼盤1與上定滑輪6同步轉(zhuǎn)動(dòng)，將油位的直線位移變化，線性的轉(zhuǎn)換為光學(xué)編碼盤1的圓周角變化。光纖傳感器檢測(cè)光脈沖變化信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、顯示油位高度值。光纖液位儀還具有油位限位預(yù)置報(bào)警功能。
該儀器的另一個(gè)突出的創(chuàng)新點(diǎn)是具有光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)向判別及轉(zhuǎn)動(dòng)速率測(cè)量功能。
眾所周知，油位上升，浮標(biāo)上??；油位下降，浮標(biāo)下沉。每當(dāng)油罐進(jìn)油或放油時(shí)，油面激起波動(dòng)，造成浮標(biāo)晃蕩、引起光盤晃動(dòng)。目前雜志發(fā)表的文獻(xiàn)及科技書籍中尚無解決晃動(dòng)情況下光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)向正確判別的技術(shù)方案。本實(shí)用新型利用硬件--數(shù)字電路和軟件--單片機(jī)處理兩種技術(shù)方法，有效地解決了光學(xué)編碼盤晃動(dòng)情況下，轉(zhuǎn)向正確判別和轉(zhuǎn)動(dòng)速率測(cè)量的問題，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
下面說明轉(zhuǎn)向正確判別和轉(zhuǎn)動(dòng)速率測(cè)量的原理斬波調(diào)制型光學(xué)編碼盤1的圓周是銑成周期性的分度齒，在齒寬與齒間距均為D的位置設(shè)置兩對(duì)發(fā)射、接收光纖進(jìn)行檢測(cè)，兩發(fā)射光纖或兩接收光纖的間距為d，d＜D。光盤順時(shí)針轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，反時(shí)針轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)。如圖5所示。光纖接收光信息，轉(zhuǎn)換為電脈沖。設(shè)定電脈沖的高電平對(duì)應(yīng)分度齒通光部分、記為“1”，零電平為擋光部分、記為“0”，電脈沖前沿記為“”，后沿記為“”。以分度齒兩邊條為判別點(diǎn)，當(dāng)光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向判別及脈沖數(shù)測(cè)量?？梢粤谐鲞壿嫹匠淌秸D(zhuǎn)A()·B(1)+A()·B(0)＝1反轉(zhuǎn)A(1)·B()+A(0)·B()＝1根據(jù)邏輯方程式設(shè)計(jì)的硬件電路--光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)判向電路，由整形電路19、微分電路20、倒相電路21、與門電路22及或門電路23連接而成，如圖6所示。其中，I端、II端分別為輸入端，III端為正轉(zhuǎn)信號(hào)輸出端，IV端為反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出端，V端為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)輸出端。
軟件方面設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)8951單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器中斷，判別分度齒光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向和光脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量。
本設(shè)計(jì)還采用晃動(dòng)判向軟件提取的判向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖，對(duì)浮動(dòng)方向突變時(shí)吃水線位移引起的測(cè)量誤差進(jìn)行修正。由于油位變化，浮標(biāo)上下浮動(dòng)，當(dāng)摩擦力產(chǎn)生的阻力有變化時(shí)，浮標(biāo)吃水線變化量超過設(shè)計(jì)的測(cè)量精度控制范圍，可能使吃水線變化值超過允許的測(cè)量誤差，因此本設(shè)計(jì)還采用晃動(dòng)判向軟件提取的判向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖來進(jìn)行修正。對(duì)浮標(biāo)上下浮動(dòng)突變時(shí)吃水線移動(dòng)引起的測(cè)量誤差進(jìn)行修正，以保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求1.光纖液位儀，由液位探測(cè)器及光纖傳感器組成，光纖傳感器包括光學(xué)編碼盤、光纖探測(cè)頭、發(fā)射光纖、接收光纖及光電轉(zhuǎn)換器，其特征在于液位探測(cè)器包括由上定滑輪、下動(dòng)滑輪、連接于兩滑輪之間的牽引纜繩、設(shè)置于牽引纜繩上的浮標(biāo)、以及連接于下動(dòng)滑輪上的重錘組成的閉合環(huán)路力學(xué)平衡系統(tǒng)；上述的上定滑輪及光學(xué)編碼盤通過磁體相互耦合驅(qū)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖液位儀，其特征在于上述磁體采用由多極恒磁體組成的磁盤，該磁盤由釹鐵硼單極磁體對(duì)稱分布銜壓成盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖液位儀，其特征在于上述光學(xué)編碼盤為光斬波調(diào)制型的光學(xué)編碼盤，光學(xué)編碼盤的圓周銑成周期性的分度齒，發(fā)射光纖與接收光纖分置于光學(xué)編碼盤兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖液位儀，其特征在于齒寬與齒間距等距的位置上設(shè)置兩對(duì)發(fā)射、接收光纖，兩發(fā)射光纖之間或兩接收光纖之間的間距小于該位置上光學(xué)編碼盤的齒寬或齒間距。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖液位儀，其特征在于還包括由整形電路、微分電路、倒相電路、與門電路及或門電路連接而成的光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)判向電路。
專利摘要光纖液位儀，由液位探測(cè)器及光纖傳感器組成，光纖傳感器包括光斬波調(diào)制型的光學(xué)編碼盤、光纖探測(cè)頭、發(fā)射光纖、接收光纖及光電轉(zhuǎn)換器；液位探測(cè)器包括由上定滑輪、下動(dòng)滑輪、牽引纜繩、浮標(biāo)以及重錘組成的閉合環(huán)路力學(xué)平衡系統(tǒng)；上定滑輪與光學(xué)編碼盤通過多極恒磁體磁盤耦合傳動(dòng)。該儀器還具備光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)判向及晃動(dòng)控制功能，具有結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量精度好，本質(zhì)安全、性能穩(wěn)定，安裝、維護(hù)簡便，性優(yōu)價(jià)廉，故障率低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01F23/292GK2572359SQ0226993
公開日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2002年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月29日
發(fā)明者潘金火 申請(qǐng)人:潘金火