專利名稱：激光精密探測(cè)液位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種精密探測(cè)液位的裝置，特別是使用激光精密探測(cè)水位的裝置。
目前測(cè)量液位的方法很多，主要有壓力法、電容法、聲學(xué)法、浮子法等等。但上述方法的測(cè)量精度不高，在有些場(chǎng)合難以達(dá)到使用要求。并且，上述方法中有些傳感器要置于液體之中，這就給設(shè)備密封帶來一定困難。本實(shí)用新型的測(cè)量精度明顯優(yōu)于上述方法，而且是無接觸測(cè)量，對(duì)液體設(shè)備的密封無影響。
在檢索的文獻(xiàn)中，亦有光學(xué)探測(cè)液位的報(bào)道，但由于它們未考慮液面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，故探測(cè)精度不高，另外，有的未采用激光器做光源受雜散光的影響，使測(cè)量精度難以提高。
使用激光器件做光源時(shí)，由于激光能量集中，單色性好，擴(kuò)散角小，可以使測(cè)控范圍加大；增加濾光片，對(duì)雜光有強(qiáng)抑制，提高了精度。如可以使用激光器做光源用反射式測(cè)量熔融狀玻璃和鋼水的液位，這種探測(cè)方法用于控制玻璃或鋼水的澆鑄有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。另外，也有使用某種射線(如γ射線)替代光源作液位探測(cè)的。但以上各種方法探測(cè)液位精度均只達(dá)到毫米的量級(jí)，在有些應(yīng)用的場(chǎng)合如反應(yīng)堆的水位測(cè)量上，滿足不了精度要求。
本實(shí)用新型的任務(wù)是在考慮了液位面精細(xì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種新的液位測(cè)量方法提供一種精密測(cè)量液位特別是測(cè)量水位的裝置，其探測(cè)精度達(dá)到±0.1mm，分辨力達(dá)到±0.01mm。
本實(shí)用新型是基于下述原理和方法的。一般液體或水在玻璃或石英容器中，由于毛細(xì)現(xiàn)象，形成液體的虹吸掛壁現(xiàn)象，即由于虹吸現(xiàn)象液面將攀附器壁出現(xiàn)高于水平面的M部分，又由于水分子摩擦力及重力的共同作用，出現(xiàn)下凹的N部分，如附

圖1所示。圖1中(1)是M部分，(2)是水平面，(3)是N部分。當(dāng)一束平行光平行于水面照射時(shí)，由于M與N這兩部分對(duì)光線的斜向反射，使容器另一側(cè)形成的光學(xué)圖象呈現(xiàn)附圖2所示的情況，即中間暗兩端亮的影象。上部的影象部分(4)由于光垂直器壁照射，使成象光亮；下部影象部分(7)由于水是均勻介質(zhì)，故成象也清晰。中間部分(5)由于M和N兩部分的作用，使這區(qū)間的光線反射到另外方向，形成暗象。我們稱這種現(xiàn)象為液位的“棱鏡效應(yīng)”。這種液位的特有現(xiàn)象就構(gòu)成了精確探測(cè)液位的光學(xué)基礎(chǔ)，即本實(shí)用新型的基礎(chǔ)。附圖2中(5)和(7)的交界線(6)記為“L”，則L線的高度標(biāo)示了液位的高度。L線的高度與真實(shí)的液面高度有一個(gè)恒定的差值。反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于水來說，這一差值為1mm左右，可以精確測(cè)定。本實(shí)用新型采用激光器作光源，提高了抗干擾能力。在光學(xué)圖象一邊使用電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件置于象面上則可測(cè)出L線的高度，從而精確測(cè)出液位高度。上述激光器、CCD器件，置于一個(gè)測(cè)量滑臺(tái)上。測(cè)量滑臺(tái)有三級(jí)測(cè)量控制系統(tǒng)，控制由步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成的升降機(jī)構(gòu)，使測(cè)量滑臺(tái)隨液位的升降而上下滑動(dòng)。測(cè)量滑臺(tái)的最終位置由光柵尺精確給出。
本實(shí)用新型提供的激光精密探測(cè)液位裝置，由于考慮了液面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而使經(jīng)典的光學(xué)方式測(cè)液位的方法提高精度1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，精度達(dá)到±0.1mm，分辨力達(dá)±0.03mm，且單向重復(fù)性很高。完全滿足反應(yīng)堆水位精密測(cè)控的要求。
下面結(jié)合一個(gè)實(shí)施例及附圖，進(jìn)一步對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。
圖3是激光精密水位計(jì)構(gòu)造示意圖；圖4是激光精密水位計(jì)的電子線路方框圖。
由圖3可以看到，激光器(13)等全部測(cè)量部件都裝置在測(cè)量滑臺(tái)(19)上，測(cè)量滑臺(tái)(19)由步進(jìn)電機(jī)(8)通過蝸輪付(26)，繞線軸(27)，鋼絲繩(24)，滑輪Ⅰ(15)，滑輪Ⅱ(16)，配重(25)組成的升降機(jī)構(gòu)，可以沿玻璃或石英玻璃制作的水容器管(28)，根據(jù)水位的高低上下移動(dòng)。測(cè)量滑臺(tái)(19)的位置可以由光柵定尺(17)和固定在測(cè)量滑臺(tái)(19)上的光柵動(dòng)尺(23)精確給出。測(cè)量滑臺(tái)(19)隨水位的高低移動(dòng)，最后精確定位在水位面上，其測(cè)量控制系統(tǒng)有三級(jí)。頭一級(jí)是在水容器(28)管壁上安裝的一系列壓力傳感器，圖中畫出了兩個(gè)壓力傳感器Ⅰ(10)和壓力傳感器Ⅱ(9)，它們提供的水位信號(hào)可以使測(cè)量滑臺(tái)(19)在厘米級(jí)隨動(dòng)水位。第二級(jí)控制是裝在測(cè)量滑臺(tái)(19)上的光敏器件(22)，光欄(21)，反射凹鏡(11)組成的光學(xué)反射式水位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)給出的水位信號(hào)可以使測(cè)量滑臺(tái)在毫米量級(jí)隨動(dòng)水位。第三級(jí)即本實(shí)用新型提供的探測(cè)方法和測(cè)控系統(tǒng)。安裝在測(cè)量滑臺(tái)(19)上的穩(wěn)定光強(qiáng)的激光器(13)發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束器(12)成為平行激光束。該激光束平行水面穿過水容器管(28)，在水容器管(28)的另一側(cè)，電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)接收光學(xué)圖象。將標(biāo)志水位的L線位置，即水位的數(shù)據(jù)經(jīng)過接口電路輸入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，如L線與實(shí)際液位差常量修正等，控制步進(jìn)電機(jī)(8)使測(cè)量滑臺(tái)(19)準(zhǔn)確到±0.1mm定位在水平面的位置上。在CCD器件之前，裝有可以濾掉其他雜散光的濾光片(29)。測(cè)量滑臺(tái)(19)的位置可以由光柵動(dòng)尺(23)和光柵定尺(17)精確讀出。測(cè)量滑臺(tái)(19)上裝有做導(dǎo)向用的軸承(18)。水容器管(28)有連通管(14)與水箱相連。本實(shí)施例使用的濾光片僅使780μm波長的激光束通過；CCD器件選用象素寬度為12.6μm、共有2048個(gè)象素單元。通過8位A／D變換器對(duì)每個(gè)象素信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，可以得到十分之一象素的有效分辨力，即±1.26μm。本實(shí)施例提供的精密水位計(jì)的技術(shù)指標(biāo)是分辨力為±0.03mm，精度±0.1mm，作為反應(yīng)堆專用水位計(jì)使用。
圖4是激光精密水位計(jì)的電子線路方框圖。圖中圖象傳感器CCD(20)，光敏器件(22)，壓力傳感器Ⅰ(10)和壓力傳感器Ⅱ(9)，及行程開關(guān)(30)提供三級(jí)的水位測(cè)控信號(hào)。這些信號(hào)通過接口電路(22)進(jìn)入微計(jì)算機(jī)A(33)，微計(jì)算機(jī)A(33)對(duì)所有這些信號(hào)綜合處理之后，控制步進(jìn)電機(jī)電源(36)，達(dá)到測(cè)量滑臺(tái)隨水位移動(dòng)，最后精確到±0.1mm量級(jí)定位。光柵動(dòng)尺和光柵定尺在測(cè)量滑臺(tái)最后定位時(shí)，給出的讀數(shù)信號(hào)(31)經(jīng)接口電路(35)亦進(jìn)入微計(jì)算機(jī)A(33)。微計(jì)算機(jī)B(34)接收微計(jì)算機(jī)A(33)測(cè)得的水位數(shù)值，一方面按要求控制進(jìn)行數(shù)字顯示(41)，或發(fā)光管顯示(40)，或通過數(shù)據(jù)輸出電路(38)將有關(guān)數(shù)據(jù)傳給中心計(jì)算機(jī)(42)，也接受控制鍵盤(39)的輸入對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行人工控制。(37)是本裝置使用的穩(wěn)壓電源。
權(quán)利要求1.一種激光精密探測(cè)液位裝置，由測(cè)量滑臺(tái)(19)，裝在測(cè)量滑臺(tái)上的激光器(13)，電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)，步進(jìn)電機(jī)(8)及其附件構(gòu)成的測(cè)量滑臺(tái)升降系統(tǒng)組成，其特征在于激光器(13)和電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)分裝在水容器管(28)的兩側(cè)成一直線的位置上，測(cè)量滑臺(tái)(19)隨動(dòng)液位的控制系統(tǒng)由壓力傳感器測(cè)控系統(tǒng)，光反射測(cè)控系統(tǒng)和激光精密液位系統(tǒng)三級(jí)構(gòu)成，測(cè)量滑臺(tái)(19)的最終位置讀數(shù)由光柵尺系統(tǒng)給出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器和電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件，其特征在于二者之間還裝有激光擴(kuò)束器(12)和濾光片(29)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的濾光片其特征在于只能使780μm波長的激光束通過。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CCD器件其特點(diǎn)是其所測(cè)到的圖象信號(hào)又經(jīng)一個(gè)8位的A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)每個(gè)象素信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，而得到十分之一象素的分辨力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的CCD器件及A／D變換器對(duì)象素的細(xì)分，其特點(diǎn)是使用象素寬度為12.6μm的CCD器件及8位A／D變換器，得到有效分辨力±1.26μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器測(cè)控系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于是由裝在水容器管(28)中的壓力傳感器Ⅰ(10)，壓力傳感器Ⅱ(9)或更多壓力傳感器及接口電路組成。
7.根據(jù)權(quán)力要求1所述的光反射測(cè)控系統(tǒng)其特點(diǎn)在于是由光敏器件(22)，光欄(21)，反射凹鏡(11)組成，并裝置在測(cè)量滑臺(tái)(19)上，分置于水容器管的兩側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵尺系統(tǒng)其特征在于是由固定在測(cè)量滑臺(tái)上的光柵動(dòng)尺(23)和固定連接在水容器管(28)上的光柵定尺(17)組成。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種精密探測(cè)液位的裝置，它利用了液位棱鏡效應(yīng)，使用了強(qiáng)度穩(wěn)定的激光器為光源，使用電荷耦合圖象傳感器CCD器件作圖象信號(hào)檢測(cè)接收裝置和使用了一系列濾除雜散光的濾光片，使液位探測(cè)精度提高到±0.1mm，分辨力達(dá)到±0.01mm。本實(shí)用新型提供的一個(gè)激光精密水位計(jì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果是精度±0.1mm，分辨力±0.03mm，應(yīng)用于反應(yīng)堆水位精密測(cè)量，取得滿意結(jié)果。
文檔編號(hào)G01F23/28GK2101218SQ91224520
公開日1992年4月8日 申請(qǐng)日期1991年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月10日
發(fā)明者王洪烈, 李小梅, 趙晨 申請(qǐng)人:北京光電技術(shù)研究所