專利名稱：一種結(jié)合激光干涉技術(shù)和自由態(tài)浮子測量液位的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度測量容器內(nèi)介質(zhì)液位的新方法，通過本方法能夠?qū)θ萜鲀?nèi)介質(zhì)的液位變化進(jìn)行實時測量，并通過終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化顯示。與其他液位測量方法相比，本方法對液位的測量可以達(dá)到0. 1mm，特別適用于石油化工行業(yè)中儲油罐用液位計的準(zhǔn)確度檢測。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)自動控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，能夠?qū)崟r地對容器(罐體、釜、塔等) 液位或界面進(jìn)行測量和監(jiān)控的需求已經(jīng)變得越來越迫切。目前測量容器液位進(jìn)行的方法眾多，測量原理也不盡相同。總體而言，根據(jù)測量液位時是否需要與測量介質(zhì)相接觸的部件， 可以將液位測量方法分為接觸式測量方法和非接觸式測量方法。從測量方法的發(fā)展歷程來看，液位測量方法正在逐漸向自動化、高精度、非接觸式方向發(fā)展。人工檢尺方式是較早出現(xiàn)的一種液位測量方法，這種方法通過用帶有重錘的米制鋼帶卷尺或帶有刻度的標(biāo)尺測量，手工記錄讀數(shù)。這種測量方法由于需要人工進(jìn)行液位值的讀取，屬于一種非自動的液位測量方法。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)合的方式來進(jìn)行液位測量的方法。這種方法是根據(jù)力平衡原理來測量容器內(nèi)的液位，通過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，帶動鋼帶運(yùn)行，通過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)動下進(jìn)行液位測量的方法得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這種液位測量方法主要通過一套智能的測量系統(tǒng)連續(xù)測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)動下，由一體化變送器給出液位測量值。隨著電磁理論的發(fā)展，出現(xiàn)了采用磁致伸縮原理進(jìn)行液位測量的方法。這種方法是根據(jù)超聲波在兩個不同磁場相交產(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間和速度來進(jìn)行液位的測量。上述幾種測量方法都屬于接觸式測量方法，由于這類方法具有與被測介質(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)。隨著近些年來電磁波技術(shù)的發(fā)展，利用電磁波來對容器液位進(jìn)行測量得到了快速的發(fā)展，由于這種類型的測量方法沒有與被測介質(zhì)相接觸的部件，所以使用維護(hù)費用低。并且隨著發(fā)射波頻率的增加，這種液位測量方式的精度也逐漸提高。然而，上述任何一種液位測量方法由于在準(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，都不能長時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，實現(xiàn)一種自動測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結(jié)合激光干涉技術(shù)和自由態(tài)浮子對容器內(nèi)的液位值進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并且可以長時間的處于高精度的穩(wěn)定狀態(tài)。同時，伴隨著石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，不同測量原理的液位計產(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，還沒有一個通用的解決方案能夠給出各種液位計的準(zhǔn)確度指標(biāo)，而這也導(dǎo)致液位計應(yīng)用行業(yè)在選擇液位計品牌及型號時沒有一個定量的參考標(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的準(zhǔn)確度等級，所以本發(fā)明本方法能夠提供一個測量標(biāo)準(zhǔn)來對不同的液位計進(jìn)行評價，給出一個定量的準(zhǔn)確度等級。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明方法主要解決的技術(shù)問題是針對容器內(nèi)液位的變化，設(shè)計一種能夠?qū)崟r、 高精度進(jìn)行液位測量的新方法。這種方法具有原理簡單、操作方便、反應(yīng)靈活等特點，綜合應(yīng)用了接觸式測量方法中浮子對液位的準(zhǔn)確反饋及電磁波測量方法的高精度和穩(wěn)定性的優(yōu)點。通過基于本發(fā)明方法的試驗裝置得出，本方法的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前任何一種液位測量方法的準(zhǔn)確度。本發(fā)明解決上述問題采用的技術(shù)方案是通過利用激光干涉技術(shù)在長度測量上的精確性結(jié)合自由態(tài)浮子對容器內(nèi)的液位進(jìn)行測量。同時，對激光在傳輸過程中溫度、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)威的長度測量技術(shù)?；诩す飧缮婕夹g(shù)的激光產(chǎn)品具有信號噪聲小，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等技術(shù)特點。 激光干涉技術(shù)是基于光波疊加原理，通過兩束相干光波在空間某點相遇而產(chǎn)生的干涉條紋的激光應(yīng)用技術(shù)。在實際應(yīng)用中，通過從激光光源發(fā)出的光束，經(jīng)由分光鏡分為兩路即參考光束和測量光束，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來經(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反射鏡，通過全反射棱鏡隨液位的變化得到干涉光束，并計算與被測長度對應(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為激光在測量時刻的波長值。HL = H-HA(2)其中H為容器總高，Ha為通過激光干涉技術(shù)測得的空高值，^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)行浮動外，水平方向的浮動范圍在一定區(qū)域內(nèi)，本發(fā)明方法通過采用將全反射棱鏡固定在自由態(tài)浮子上進(jìn)行實現(xiàn)。自由態(tài)浮子由內(nèi)外兩個浮子組成，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，從而保證產(chǎn)生干涉條紋，本發(fā)明方法將內(nèi)浮子通過支桿方式將內(nèi)浮子聯(lián)動在外浮子上，而外浮子的兩端通過吊耳固定在容器內(nèi)部的導(dǎo)軌上進(jìn)行實現(xiàn)。自由態(tài)浮子采用這種連接方式的目的主要有兩個一是確保內(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)作用對內(nèi)浮子的影響。二是通過內(nèi)外浮子的自由聯(lián)動，從而保證內(nèi)浮子隨液面達(dá)到準(zhǔn)自由態(tài)運(yùn)動。為了保證本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)對容器內(nèi)液位高精度測量，需要測量過程中對影響本方法準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行修正。由于容器內(nèi)溫度、氣壓和濕度對激光波長的影響，因此需要對通過本發(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，實時地測量各個影響因素，并根據(jù)表1進(jìn)行液位修正。
表1溫度、壓力、相對濕度對激光波長的影響
權(quán)利要求
1.一種采用激光干涉技術(shù)測量容器內(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)行計算的計算單元。
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。
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導(dǎo)軌等約束裝置限制自由態(tài)浮子的水平移動范圍。
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量容器內(nèi)液位的新方法。本發(fā)明方法通過利用激光干涉技術(shù)在長度測量上的高精度特性，結(jié)合漂浮在液體表面的自由態(tài)浮子反射裝置進(jìn)行液位的測量。通過基于本發(fā)明方法的實驗裝置對容器內(nèi)全量程范圍的均勻分散的不同液位進(jìn)行測量，同時針對各個影響因素對激光干涉儀器的影響進(jìn)行修正，并與對比液位計的示值進(jìn)行比較，得出本發(fā)明方法的準(zhǔn)確度能夠達(dá)到0.1mm。通過本發(fā)明方法，不僅能夠?qū)崟r地測量容器內(nèi)的液位值，而且基于本發(fā)明方法的高精度特性，可以對目前各種類型的液位計進(jìn)行準(zhǔn)確度評價，這樣不僅有助于廣大用戶進(jìn)行液位計選型，定時標(biāo)定液位計，而且能夠推動各個液位計生產(chǎn)廠家提高自己的技術(shù)水平，為高精度液位計在油品交接過程中的推廣奠定堅實的理論基礎(chǔ)。
文檔編號G01F23/64GK102478418SQ201110109559
公開日2012年5月30日 申請日期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 申請人:國家大容量第一計量站