專利名稱：光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計是一種完全采用數(shù)字電路來制作的連續(xù)測量貯液罐中液面高度的液位測量儀器，它直接利用光電浮筒來讀取液面高度數(shù)字編碼尺上的數(shù)字液位代碼，給出數(shù)字形式的液面高度值，并可兼有上、下限指示、報警和控制等功能。
如所周知，工業(yè)上使用著許許多多大大小小不同的貯液罐，有的比較小，直徑只有零點幾米至1-2米，有的很大，直徑可達20-30米，高度一般在幾十厘米至十幾米之間，少數(shù)可達幾十米，如何測量貯液罐中液面的高度，現(xiàn)有的方法雖然很多，但在某些情況下，利用這些方法制成的儀器和設(shè)備，其性能、價格、可靠性等還不十分令人滿意，還難以全面滿足人們的需要。
目前，人們一般采用以下幾種方法和設(shè)備來測量液面的高度。
比較簡單的方法有二種一種利用連通器原理，用一根垂直放置在貯液罐外側(cè)帶有高度標(biāo)尺的透明玻璃管，將它的下端與貯液罐相連通，利用人眼來讀取玻璃管中液面的高度；另一種在貯液罐液面上放置一個浮筒，從浮筒上系一條鋼索，令它從罐頂伸出經(jīng)滑輪轉(zhuǎn)向后向下吊起一平衡重物，在重物上安裝一根指針，用人眼來讀取指針在液面高度尺(或液料體積尺、液料重量尺)上所指示的值。這二種方法目前普遍使用在一般的貯液罐上，它們的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低，缺點是精度低、誤差大且依賴于人眼的主觀判斷，當(dāng)貯液罐較高時，測量者需爬上爬下很不方便。
比較復(fù)雜一些的辦法是用儀器來測量液面的高度，常用的儀器有電容式料位計和磁浮筒液面計等，前者利用電極間料位高度變化引起電容變化來測量料位的高度；后者利用沿高度等距離排列的一系列干簧管和錳銅絲電阻所構(gòu)成的電位器被浮在液面上的浮筒內(nèi)的磁鐵所吸引造成短路引起總阻值變化來測量液面的高度，這二種方法直接測得的是模擬量，雖然使用方便，價格適中，但誤差大、重復(fù)性、可靠性差，因電容誤差大、重復(fù)性差，干簧管可靠性低，容易損壞。
更高級的測量方法有壓力、超聲、放射性和測距雷達等物理方法，這類方法測量精度比較高，性能較優(yōu)越，但價格高、技術(shù)較復(fù)雜，只適宜使用在要求較高的場合，難以普遍應(yīng)用在大量的一般貯液罐中。
據(jù)了解，目前工業(yè)上迫切需要一種價格比較低廉，絕對測高精度在1厘米左右，重復(fù)性、可靠性較高的低檔液位測量儀器，以適應(yīng)大量一般貯液罐使用。對大型貯液罐，采用模擬量測量方法是難以全面滿足這些要求的，即使能達到這一精度要求，也難以保證它的長期穩(wěn)定性。
采用全數(shù)字測量方法有可能解決這個困難，因全數(shù)字測量方法中完全沒有模擬量比較容易同時滿足精度和可靠性這二方面的要求。
液面高度的數(shù)字測量方法可分為二大類一類是沿高度按精度間隔安放一個或一組傳感元件(如光敏、磁敏、壓敏等)，對這些元件進行與高度對應(yīng)的數(shù)字編碼，用一浮在液面上的浮筒或液體本身去啟動這些元件工作，輸出與液面高度對應(yīng)的代碼，此法雖可行，但高度較高和精度要求較高時，需使用大量傳感元件，成本太高，且傳感元件太多也會降低可靠性，干簧管雖比較便宜，價格可以接受，但可靠性太低，無法滿足可靠性的要求；另一類是對沿高度放置的一把高度尺本身采用某種方式(如穿孔、開透光區(qū)、設(shè)置反光區(qū)、抹涂發(fā)光材料、磁性材料等)來進行與高度對應(yīng)的數(shù)字編碼，利用套在這把尺上的一個浮筒中的一個或一組傳感元件去讀取這些代碼，此法僅需使用極少量傳感元件，因此不僅成本可以大大降低，而且可靠性也可大大增加。
考慮到后面這種方法比較容易同時滿足精度、可靠性和成本這三方面的要求，故本專利考慮了一種采用這種方法來制造的全數(shù)字液體料位計。
本專利的目的是，提供一種采用光電傳感元件來制造的光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計的設(shè)計方案，供感興趣制造、生產(chǎn)和使用的人士和單位參考。
光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計由二大部分組成光電浮筒液位傳感器a和液面高度H顯示控制器b，二者之間用多芯電纜相連接，使用時，a一般放在貯液罐內(nèi)部，也可放在與貯液罐相連通的垂直管內(nèi)，b放在貯液罐外部罐壁上或其它合適位置處。
光電浮筒液位傳感器a可用透射、反射和自發(fā)光等方法制造，它也由二部分組成液面高度數(shù)字編碼尺c和光電讀數(shù)浮筒d，c和d的具體形狀和結(jié)構(gòu)形式可以多種多樣。
下面我們結(jié)合

圖1～圖3來作詳細(xì)描述。
圖1液面高度數(shù)字編碼尺c可以采用的幾種截面形狀；圖2工字形透射式光電浮筒液位傳感器a的結(jié)構(gòu)和安裝示意圖；圖3液面高度H顯示控制器b電原理方框圖。
液面高度數(shù)字編碼尺c為一垂直放置在貯液罐內(nèi)部的長尺，功能有二可在其上對液面高度進行數(shù)字編碼和可以引導(dǎo)套在它外面的浮筒上下移動，它的長度需大于最高液位高度，也可等于貯液罐內(nèi)高，它的截面形狀可取圖1所示各種形式，也可取其它合適形式，圖1各形式為1-工字形；2-冂字形；3-十字形；4-三角形；5-方形；6-齒輪形；7-園形(透射式)；8-園形(反射式、自發(fā)光式)，圖中p為編碼區(qū)；q為光源透射區(qū)。
以下我們以圖2所示的工字形透射式光電浮筒液位傳感器a為例來介紹光電浮筒液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。
工字形透射式光電浮筒液位傳感器a由一根截面為工字形的液面高度數(shù)字編碼尺c和一個中部有一截面和c截面相同(略大一些)的工字形中空部分外周水平截面為方形(或矩形)的光電讀數(shù)浮筒d二部分組成，d全水密封，可套在c外面，工作時浮在液面上隨著液面的升降沿c尺上下移動，在d內(nèi)部工字形中空部分二側(cè)比液面高約3厘米左右的一個水平面上，靠一側(cè)內(nèi)邊沿處并排放置n個可見或紅外光接收管L0～Ln-1(n取決于尺高和測量精度，n為8、9、10、11、12，精度為1厘米時，尺高分別可達2.56、5.12、10.24、20.48、40.96米；精度為0.5厘米時，尺高分別可達上述各值的二分之一)，離另一側(cè)內(nèi)邊沿較遠處放置一只可見或紅外光發(fā)射管L，L發(fā)出的水平扇形光線需能照射到全部接收管L0～Ln-1。在工字形液面高度數(shù)字編碼尺c上，沿高度方向排列n條液面高度數(shù)字編碼信息，它們的位置與n個接收管的位置一一對應(yīng)，使發(fā)射管L發(fā)出的光需先通過些編碼信息才能到達接收管，因此n個接收管便可將高度編碼尺c上n位液位高度數(shù)字編碼信息同時讀出，讀出的信息(n個0或1)經(jīng)與L0～Ln-1相連接的n個放大器A0～An-1放大后便可送去顯示控制器b進行處理。液面高度數(shù)字編碼尺c可用不透光材料(如不銹鋼、銅、鋁、塑料等)也可用透光材料(如有機玻璃、鋼化玻璃等)來制造，前者編碼信息中的“1”用方形或矩形穿孔區(qū)域來代表；“0”用不穿孔區(qū)域來代表；后者“1”用方形或矩形透明區(qū)域來代表；“0”用不透明區(qū)域來代表，孔和透明區(qū)域的垂直距離等于液面高度的測量精度，測量精度1厘米時垂直距離為1厘米；測量精度0.5厘米時垂直距離為0.5厘米。
液面高度數(shù)字編碼尺c上使用的編碼方法十分重要，不能使用一般的二進制碼(PB)或各種權(quán)重的二—十進制碼，需使用克雷碼(GB)，這是因為，二進制碼和各種權(quán)重的二—十進制碼相鄰二個碼字有的變化的碼位不只1位，如果浮筒和編碼尺上的穿孔或透光區(qū)域的加工精度不足，浮筒讀數(shù)時，由一碼字完全過渡到相鄰碼字的中途有可能出現(xiàn)錯誤讀數(shù)，例如，由二進制數(shù)3(011)變至4(100)時，中途有可能出現(xiàn)0(000)、1(001)、5(101)、6(110)、7(111)等錯誤讀數(shù)，這顯然是不能允許的?？死状a的特點是任何二個相鄰碼字之間只有一個碼位發(fā)生變化，因此由一碼字變至相鄰碼字的中途不可能出現(xiàn)錯誤讀數(shù)，例如，由克雷碼3(010)變至克雷碼4(110)時，中途不可能產(chǎn)生其它讀數(shù)。由于液位一般需要使用多位十進制數(shù)來表示，因此不能簡單地重復(fù)使用只適用于一位十進制數(shù)的克雷碼和余3克雷碼，需使用適用于多位十進制數(shù)的克雷碼，表一列出筆者按照克雷碼特征編制成的一種4位十進制數(shù)克雷碼(此表共128頁，這里只列出第 1頁)，表中最后一欄為對應(yīng)的二進制碼的碼值，液面高度數(shù)字編碼尺 C上采用的代碼即此表所列克雷碼，如00 0000011101代表26等。克雷碼對應(yīng)的液面高度H的值則依賴于測量精度，精度1厘米時，克雷碼值即高度值的厘米數(shù)；精度 0.5厘米時， 高度值的厘米數(shù)等于克雷碼值的二分之一 (見表二，此表共128頁，這里表一0～4095克雷碼(GB)代碼表
P1只列出第1 頁)，由此可知，采用克雷碼制造的液面高度數(shù)字編碼尺C， 它的任意相鄰二個精度間隔的n個編碼信息區(qū)中，必有且只有一個開孔或透光區(qū)發(fā)生變化， 這是本液體料位計使用的液面高度數(shù)字編碼尺在結(jié)構(gòu)上的一個重要特征。精度為 0.2、0.1厘米時，表二高度改為克雷碼值的5、10分之一。
表二克雷碼(GB)～液面高度H譯碼器存貯數(shù)據(jù)表
P1光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計液位高度H顯示控制器b電原理方框圖如圖3所示，其電路結(jié)構(gòu)、信息流程和使用方法如下由液位傳感器a送來的液面高度克雷碼編碼信息A0～A11(這里取n＝12為例)作為由ROM2、ROM1所構(gòu)成的克雷碼(GB)至液面高度H的BCD碼譯碼器t2、t1的地址信息加至ROM2、ROM1的12條地址線上，為進行譯碼，事先在ROM2、ROM1與液面高度克雷碼所對應(yīng)的地址單元內(nèi)存貯與該碼對應(yīng)的液面高度H的4位BCD碼，存貯數(shù)據(jù)見表二，例如，測量精度為1厘米時，輸入的克雷碼為000000011010(29)，此碼對應(yīng)的二進制碼值為26，則應(yīng)在ROM2、ROM1的第27個單元(001A)內(nèi)存貯與克雷碼值29所對應(yīng)的液面高度H的值00.29M的4位BCD碼0000、0000、0010、1001；測量精度為0.5厘米時，輸入的克雷碼與以上相同時，則應(yīng)在001A單元內(nèi)存貯H＝0.145M的4位BCD碼0000、0001、0100、0101，ROM2、ROM1的輸出再經(jīng)4個BCD碼～7段碼譯碼器t6、t5、t4、t3譯碼后，便可驅(qū)動液面高度H顯示器I顯示出所測得的液面高度值00.29M或0.145M來。
一般液位測量儀器均具有上、下限指示、報警和控制等功能，本儀器亦可有這些功能，實現(xiàn)方法很簡單，此功能由高、低位選擇開關(guān)K1、K2和高、低位比較器E1、E2等部件來實現(xiàn)。高、低位比較器E1、E2是二個完全一樣的16位數(shù)字比較器，它們的一組16條輸入線與ROM2、ROM1的16條液面高度H的BCD碼輸出線相連接；高位比較器E1的另一組16條輸入線與高位選擇開關(guān)K1的16條輸出線相連接；低位比較器E2的另一組16條輸入線與低位選擇開關(guān)K2的16條輸出線相連接，K1、K2為二組4位十進制—-BCD碼撥盤開關(guān)，H的上、下限值由這二組開關(guān)來設(shè)置，如K1置09.28M、K2置00.10M時，當(dāng)液位H到達此二值時，比較器E1、E2便會發(fā)出上、下限報警指示和控制信號，它們經(jīng)報警指示控制器R處理后可驅(qū)動高、中、低位指示燈發(fā)光、啟動報警電路W工作使報警揚聲器發(fā)出報警聲和令高、低位控制繼電器S1、S2動作，使它們在液位達到高、低位時，自動開關(guān)液泵馬達或閘門，實現(xiàn)對液位的自動控制。
有些貯液罐，人們對它的液位高度值不感興趣，主要關(guān)心的是它貯存的液料的體積(或重量)值，這時可將液面高度數(shù)字編碼尺改為液料體積(或重量)數(shù)字編碼尺，即在編碼尺上按照液料的體積(或重量)尺度來進行編碼，由于液料的體積重量依賴于罐的大小和形狀，液料的重量還與液料的比重有關(guān)，因此這種尺上的編碼區(qū)域的尺寸對各種不同形狀不同大小的罐是不同的，而且還與貯液罐中貯存的液料種類有關(guān)，故需按照各罐的具體形狀尺寸和所貯存的液料的種類分別來進行設(shè)計制造。
不改變液面高度數(shù)字編碼尺，將ROM2、ROM1中貯存的液面高度H的值改為與H值對應(yīng)的液料體積V(或重量P)值，也可利用圖3所示顯示控制器將V(或P)值顯示出來，但ROM2、ROM1中貯存的數(shù)據(jù)對不同的貯液罐和不同比重的液料(對P)是不同的，此法不用更改硬件，比較簡單，用戶可自行修改。
當(dāng)然，也可利用微機由測得的液面高度H的值和貯液罐直徑、液料的比重等參數(shù)將V、P計算出來，這種帶微機的液體料位計不必為每一個貯液罐專門制造一把V、P數(shù)字編碼尺或更改ROM2、ROM1中貯存的內(nèi)容，具有普適性和通用性，可作為本專利的一種高檔產(chǎn)品，有需要時，也可把它制造出來。
讀數(shù)式液位傳感器不僅可以使用光敏元件來制造，也可使用壓敏、磁敏等傳感元件來制造，甚至可使用微動開關(guān)、薄膜開關(guān)等機械接觸開關(guān)來制造，后者可使讀數(shù)電路更簡單、傳感器的造價更低，但無論用哪種元件來制造，對應(yīng)的液面高度數(shù)字編碼尺仍可以和必需采用克雷碼來制造，它們的任意相鄰二個精度間隔的n個編碼信息區(qū)中必需只有一個發(fā)生變化，而且它們還可以使用完全相同的液面高度H顯示控制器。
權(quán)利要求1.一種新型光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計，其特征是a.這種光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計由光電浮筒液位傳感器a和液面高度H顯示控制器b二部分組成，二者用多芯電纜相連接，a一般放在貯液罐內(nèi)部，b放在貯液罐外部罐壁上；b.光電浮筒液位傳感器a由一根垂直放置在貯液罐內(nèi)部長度大于最高液位或等于貯液罐內(nèi)高的液面高度數(shù)字編碼尺c和套在c外面浮在液面上隨液面升降上下移動的光電讀數(shù)浮筒d二部分組成；c.液面高度數(shù)字編碼尺c可用不銹鋼、銅、鋁、塑料等不透光材料，也可用有機玻璃、鋼化玻璃等透光材料來制造，其截面形狀可多種多樣，如工字形、冂字形、十字形、三角形、方形、齒輪形、園形等，在c的編碼區(qū)域p處，沿高度方向排列n條液面高度數(shù)字編碼信息，n取決于尺高和測量精度的需要，編碼信息中的“1”，對透射式用方形或矩形穿孔或方形或矩形透明區(qū)域來代表；對反射式用方形或矩形反光區(qū)域來代表；對自發(fā)光式用方形或矩形發(fā)光區(qū)域來代表；編碼信息中的“0”分別用不穿孔或不透明、不反光和不發(fā)光區(qū)域來代表，方形或矩形區(qū)域的垂直距離等于液面高度的測量精度，液面高度數(shù)字編碼尺c上不能使用一般的二進制碼PB或各種權(quán)重的二—十進制碼，必需使用任意相鄰二個碼字之間只有一個碼位發(fā)生變化的多位十進制數(shù)克雷碼GB，由此可知，尺c上任意相鄰二個精度間隔的n個編碼信息區(qū)中，穿孔、透光、反光和自發(fā)光區(qū)必有且只有一個發(fā)生變化；d.光電讀數(shù)浮筒d為一個全水密封浮筒，中部有一個截面和c截面形狀相同尺寸略大一些的中空部分，使它可套在尺c上上下移動，在d內(nèi)部比液面高約3厘米左右的一個水平面上，放置n個可見或紅外光接收管L0～Ln-1和m個可見或紅外光發(fā)射管Lm，m取決于c截面形狀的需要，它們的位置應(yīng)使發(fā)射管發(fā)出的光先通過c尺上的n條編碼信息區(qū)才能到達接收管，使n個接收管能將尺上n位液位高度克雷碼編碼信息同時讀出；e.液面高度H顯示控制器b主要由液面高度H克雷碼～BCD碼譯碼器t2、t1、BCD碼～7段碼譯碼器t3～t6、液面高度H顯示器I等部件組成，其中t2、t1由地址線≥n的存貯器ROM2、ROM1構(gòu)成。
2.根椐權(quán)利要求1所述的光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計，其特征是，它的液位傳感器a也可用壓敏、磁敏等傳感元件和微動、薄膜等機械接觸開關(guān)來制造，這時液面高度數(shù)字編碼尺c仍需使用克雷碼，相鄰n個編碼信息區(qū)必需只有一個發(fā)生變化。
專利摘要光電浮筒讀數(shù)式全數(shù)字液體料位計是一種完全采用數(shù)字電路來制作的連續(xù)測量貯液罐中液面高度的液位測量儀器,它由光電浮筒液位傳感器a和液面高度顯示控制器b二部分組成,光電浮筒液位傳感器a利用套在液面高度數(shù)字編碼尺c上的光電讀數(shù)浮筒d來讀取尺c上用多位十進制數(shù)克雷碼編制的液面高度信息,經(jīng)電纜送至顯示控制器b處理后便可顯示出數(shù)字形式的液面高度值(或液料體積、重量值),并可兼有上、下限指示、報警和控制等功能。
文檔編號G01F23/30GK2499806SQ0020245
公開日2002年7月10日 申請日期2000年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月20日
發(fā)明者林宇威 申請人:林宇威