專利名稱：浮子式激光液位測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量液位的通用測量儀器及技術(shù)。
背景技術(shù)：
液位測量中最常用的測量終端莫過于液位計(jì)，按測量方式大致可分為浮子式、超聲波式、激光式、振弦式、壓力式以及感應(yīng)式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。浮子式是用機(jī)械齒輪減速產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來形成編碼，這種液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對較低，缺點(diǎn)是機(jī)械加工復(fù)雜、運(yùn)行阻力大、使用壽命短；超聲波液位計(jì)和激光液位計(jì)測量精度較高，沒有機(jī)械部件，可靠性較高，但對反射目標(biāo)有一定的要求；振弦式液位計(jì)主要用于小量程液位的測量；壓力式精度較低，而且受液體比重、溫度等因素的影響較大；感應(yīng)式的精度比較高，但是測量范圍有限，限制了其應(yīng)用。
目前浮子式液位計(jì)的使用范圍較廣，從飛機(jī)油料檢測到水文水位測量都有其典型應(yīng)用實(shí)例。但是在應(yīng)用過程中，也存在一些問題需要解決，例如，在飛機(jī)油料檢測過程中，由于飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能較強(qiáng)，油箱液面波動(dòng)較大，單點(diǎn)測量誤差較大；水文測量時(shí)，為了減少水面波動(dòng)影響測量準(zhǔn)確性，需要建造測井，投資較大，此外由于機(jī)械或光電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)限制，測量精度較低。激光技術(shù)作為現(xiàn)代光電技術(shù)的主要成果，在眾多領(lǐng)域已有成功應(yīng)用，其中激光測距儀已成為一種方便的距離測量儀器。但由于激光測量需要反射面滿足一定的條件，影響了其在液位測量方面的推廣應(yīng)用，尤其是在液面波動(dòng)較大的情況下的測量。
現(xiàn)在關(guān)于浮子式液位測量方法的研究主要集中于浮子和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，如中國發(fā)明專利(200610085948.7)以重力卷揚(yáng)收攬裝置取代平衡錘，大大減小浮子尺寸，同時(shí)能克服測纜重量所引起的誤差；在另一項(xiàng)中國發(fā)明專利(03128971.1)中采用輪軸式結(jié)構(gòu)的平衡裝置，結(jié)構(gòu)簡單，安裝及維護(hù)方便；而美國發(fā)明專利(4416509)中為了保證電磁波能平行于入射角反射，設(shè)計(jì)了一種多面體結(jié)構(gòu)的球形浮子。有關(guān)激光測量液位方面的研究集中于如何確保反射的有效接收，中國發(fā)明專利(200610109311.7)在利用空心探測桿和一套磁浮裝置，有效避免激光對液體的直接照射；在日本發(fā)明專利(3088965)中通過一根垂直繩索限制浮子只能沿液位變化上下移動(dòng)，提高了激光測量的有效性；同時(shí)可以用于大范圍測量，精度較高，且不受外界環(huán)境的影響。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述分析，本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定、可靠及安裝方便的液位檢測設(shè)備。在液面波動(dòng)較大的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)液位變化的實(shí)時(shí)檢測；也可以在液面相對穩(wěn)定的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)液位的高精度測量。同時(shí)，也為水文水位測量提供方便快捷的檢測手段，避免傳統(tǒng)浮子式水位計(jì)在安裝及使用過程中的部分缺點(diǎn)。
一種浮子式激光液位測量儀，其特征在于包括篩孔激光測井、測井固定裝置、浮子、平衡錘、反射式激光測距儀，所述篩孔激光測井為圓筒形，置于液體中或與液體相通，該篩孔激光測井的底部固定在置于液體中的測井固定裝置上；所述浮子置于篩孔激光測井的內(nèi)圓筒中；所述平衡錘置于浮子內(nèi)；所述反射式激光測距儀豎立于篩孔激光測井內(nèi)圓筒中央與浮子相連；所述篩孔激光測井為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層采用六條垂直鋼絲圍成圓筒，外層為一直通的圓筒，內(nèi)外兩層之間用鋼絲連接成一整體。
該浮子式激光液位測量儀，穩(wěn)定、可靠、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單，檢測精度高，應(yīng)用場合廣，可在液面波動(dòng)較大的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)液位變化的實(shí)時(shí)檢測，也可在液面相對穩(wěn)定的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)液位的高精度測量，也為水文水位測量提供了方便快捷的檢測手段。


圖1是本發(fā)明的浮子式激光液位測量儀的結(jié)構(gòu)組成原理示意圖；圖2是本發(fā)明中的篩孔激光測井結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2(a)為整體圖，圖2(b)為外層圓筒結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(c)為內(nèi)層圓筒結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中的浮子內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理框圖；圖5為數(shù)據(jù)處理流程圖。
圖6為水文檢測時(shí)河流水位測量工作示意圖；圖7為儲(chǔ)油罐油料測量工作及安裝示意圖；圖8為油箱剩余油料測量工作及安裝時(shí)意圖，其中圖8(a)為俯視圖，圖8(b)和圖8(c)為主視圖，圖8(d)為左視圖。
上述圖中標(biāo)號名稱001-篩孔激光測井，002-測井固定裝置，003-浮子，004-平衡錘，005-反射式激光測距儀，006-鋼絲，007-內(nèi)層，008-外層，009-垂直鋼絲，010-固定支架，011-橋墩，012-河岸。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的液位測量儀，包括篩孔激光測井001、測井固定裝置002、浮子003、平衡錘004以及反射式激光測距儀005。結(jié)構(gòu)組成原理圖如圖1所示。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種可以真實(shí)反應(yīng)被測液面變化情況的激光反射測井裝置001，該裝置的測井筒壁采用兩層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。外層008為一直通的圓筒，內(nèi)徑較大，筒底為篩網(wǎng)，與外界液體保持連通，保證測井內(nèi)液體的清潔；因外層管徑較大，可以實(shí)時(shí)反應(yīng)外界液面的變化情況；同時(shí)筒壁與外界液體的隔離作用可以保證測井內(nèi)液面盡可能不受外界液面波動(dòng)的影響，液面比較平靜。內(nèi)層007采用六條垂直鋼絲009圍成的圓筒，與外測井液面連通，主要是約束浮球的橫向水平運(yùn)動(dòng)，浮球可以不受任何約束地隨液面上下移動(dòng)；內(nèi)筒直徑較小，主要考慮到浮球直徑過大會(huì)影響低液面測量時(shí)的效果。內(nèi)外層之間用短鋼絲006連接，如果測量液面變化范圍較大，可以在中間增加連接鋼絲，確保內(nèi)層鋼絲不變形。同時(shí)在液位測量時(shí)，測井底部必須安裝固定002，防止測井晃動(dòng)而引起的無效測量。測井內(nèi)徑需要考慮到浮子直徑的大小，確保浮子可以在測井內(nèi)靈活自由地根據(jù)液面變化升降。
為了確保反射式激光測距儀005穩(wěn)定可靠的工作，儀器中的浮子采用圓形浮球003，外徑略小于測井內(nèi)層內(nèi)徑。這樣的結(jié)構(gòu)既可以確保浮子與測井內(nèi)壁接觸面積最小，減少摩擦，運(yùn)動(dòng)靈活；又可以利用測井的橫向約束作用，限制其在液面的橫向運(yùn)動(dòng)，保證升降靈活性。平衡錘004也為球形，內(nèi)置于浮球內(nèi)部，不受外界約束。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以確保任意時(shí)刻激光束可以有效地沿球面照射點(diǎn)法線方向反射，滿足激光接收器對激光反射強(qiáng)度要求；同時(shí)上表面不會(huì)附著大量液體而影響激光束的反射，有利于在液面變化劇烈的環(huán)境下測量。同時(shí)，內(nèi)置式平衡浮球也可以減小液體沖擊作用力，避免浮球晃動(dòng)，提高反射可靠性。結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3所示。
如上所述的液位測量儀，其中的反射式激光測距儀主要用于測量激光器距離浮子反射面間的距離，由于浮子可隨液面變化，該距離可以反映出液面高度信息。實(shí)際液面高度可由下式計(jì)算獲得hc＝HJD-hjc-hFY激光器高度HJD是指激光器距離容器底部距離；激光測距儀測量距離hjc反應(yīng)激光器距離浮球反射面的距離；浮球高于液面的高度hFY是指浮球激光反射面高于液面的高度。上式表示激光測距儀實(shí)際檢測系統(tǒng)安裝完成后，測量誤差主要來自兩部分1、浮子定點(diǎn)距液面的高度波動(dòng)，即浮子相對高度波動(dòng)；2、由于液面波動(dòng)、噪聲和無效采樣而引起的激光測距儀檢測誤差。
本發(fā)明提供了相應(yīng)的測量誤差修正方法。針對浮子相對高度的波動(dòng)變化是一種等幅的上下波動(dòng)；對于上述第二類測量誤差，主要由于激光測距儀檢測誤差，造成這種誤差主要是因?yàn)閬碜杂诜瓷浼す鈴?qiáng)度不足而引起的檢測數(shù)據(jù)丟失或者噪聲。中值濾波技術(shù)可以有效解決上述問題，算法簡單，使用方便。有關(guān)技術(shù)有大量文獻(xiàn)介紹，這里取連續(xù)5個(gè)采樣值濾波，主要考慮測量精度和系統(tǒng)相應(yīng)速度兩方面的因素。
如上述分析，激光測距儀測量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步處理，儀器提供了數(shù)據(jù)通訊及處理功能單元，激光測距儀提供的測量數(shù)據(jù)為數(shù)字量，同時(shí)提供外部通訊接口(一般為RS232)，方便通訊。數(shù)據(jù)處理單元(中央處理器，CPU)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、濾波以及數(shù)據(jù)結(jié)果保存和輸出等處理。CPU采用16位TMS320C203，主要是儀器精度的要求，5米的液位變化范圍，測量精度達(dá)到1毫米，采樣分辨率為0.0002，至少需要13位的A/D，8位處理器需要分次處理，比較復(fù)雜。處理結(jié)果直接以數(shù)據(jù)格式寫入U(xiǎn)盤，方便使用；有關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理如圖4所示，數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。
與現(xiàn)有浮子式液位測量裝置相比，本發(fā)明中采用激光測距儀取代傳統(tǒng)浮子式液位儀中的吊掛鋼索、水位輪、平衡錘等裝置，簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高了儀器的動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度；同時(shí)由于測量井的雙層結(jié)構(gòu)，既能夠在一定程度上減小液體的沖擊影響，準(zhǔn)確迅速的反應(yīng)被測液面的實(shí)際變化情況，為高精度液面動(dòng)態(tài)測量提供了有利的條件。采用內(nèi)置平衡球的浮子式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高測量的可靠性和穩(wěn)定性，減少測量誤差。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡化和小型化，也為移動(dòng)測量的應(yīng)用提供了有效的方法。同時(shí)避免了在水文測量應(yīng)用中的測井建設(shè)，安裝簡便，使用靈活，檢測精度高，大幅降低建設(shè)和使用成本。采用浮球反射，提高了反射穩(wěn)定性，也避免了不同測量介質(zhì)特性差異而引起的激光反射特性差異，提高了設(shè)備的通用性。
實(shí)施例1水文中的水位測量在水利水文領(lǐng)域，測量江河湖泊或水庫水位變化是非常重要的。測量儀器長期在野外惡劣的環(huán)境下工作，環(huán)境的溫度、濕度、水面波浪等會(huì)嚴(yán)重影響測量精度；同時(shí)在有些情況下水位變化幅度較大。本實(shí)例中，采用本發(fā)明的浮子式激光液位儀，精確測量水位變化。在測量江河湖泊水位時(shí)，本儀器可以利用橋梁、碼頭或堤壩等固定。由于采用本發(fā)明技術(shù)，無需建設(shè)測井，不僅節(jié)約了大量的建設(shè)投資；同時(shí)也可在無法建造自記井的環(huán)境下使用，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
對于水面的波動(dòng)，本測量儀器在測井設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮，外層測井結(jié)構(gòu)可以起到緩解波動(dòng)影響的作用，同時(shí)中值濾波也可以補(bǔ)償由于水面波動(dòng)的測量誤差；測量范圍必須滿足最大水位變化的范圍，因此測井高度選擇應(yīng)大于該測量范圍；安裝時(shí)也需要考慮此因素。
圖6所示為本儀器測量河流水位變化時(shí)的安裝及工作原理圖。
實(shí)施例2儲(chǔ)油罐油料檢測圖7所示為儲(chǔ)油罐液位測量的原理及安裝示意圖。液位測量設(shè)備安裝于儲(chǔ)油罐外部連通的測井內(nèi)，該測井與儲(chǔ)油罐連通，能夠直接反應(yīng)儲(chǔ)油罐內(nèi)部液位的變化情況。由于外置測井可以減少液面波動(dòng)引起的測量誤差，該方法測量精度較高。
與傳統(tǒng)的儲(chǔ)油罐液位觀測計(jì)量方法比較，本實(shí)例中的測量可以直接、方便地輸出測量數(shù)據(jù)，為進(jìn)、出油料的自動(dòng)化提供了有利的支持。同時(shí)由于本檢測設(shè)備本身受外界環(huán)境的影響較小，避免了其它測量液位傳感器因環(huán)境變化引起的測量誤差。
存儲(chǔ)油量測量時(shí)，需要為所測量的具體儲(chǔ)油罐建立液位——油量的關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系和檢測的液位數(shù)據(jù)，方便地計(jì)算出儲(chǔ)油量。
實(shí)施例3油箱油量檢測對于機(jī)動(dòng)性較高的運(yùn)動(dòng)物體，其油量的測量是一件非常困難的工作。由于加速、減速運(yùn)動(dòng)、顛簸等原因，導(dǎo)致油面波動(dòng)劇烈，精確測量有一定難度。利用本發(fā)明的測量儀器，可以實(shí)現(xiàn)油量比較準(zhǔn)確的測量。
事實(shí)上，對于液面波動(dòng)劇烈的液體檢測，關(guān)鍵是要了解液面的變換情況，因此利用多個(gè)本發(fā)明儀器組合，可以較方便地測量液面波動(dòng)情況。圖8所示是采用5套本發(fā)明儀器的油箱油量測量工作示意圖，通過該5個(gè)測量點(diǎn)可以獲得油箱液面的傾斜情況，粗略獲得液面的變化曲面，基本反映液面變化真是情況。進(jìn)一步，可以根據(jù)此曲面計(jì)算油箱剩余油料。圖8中的圖8(a)為俯視圖，圖8(b)和圖8(c)為主視圖，圖8(d)為左視圖。
實(shí)際測量時(shí)，需要根據(jù)測量精度的要求具體選擇測量儀器的數(shù)量及安裝位置，測量精度越高，需要的傳感器個(gè)數(shù)越多。
權(quán)利要求
1.一種浮子式激光液位測量儀，其特征在于，包括篩孔激光測井(001)、測井固定裝置(002)、浮子(003)、平衡錘(004)、反射式激光測距儀(005)，所述篩孔激光測井(001)為圓筒形，置于液體中或與液體相通，該篩孔激光測井(001)的底部固定在置于液體中的測井固定裝置(002)上；所述浮子(003)置于篩孔激光測井(001)的內(nèi)圓筒中；所述平衡錘(004)置于浮子(003)內(nèi)；所述反射式激光測距儀(005)豎立于篩孔激光測井(001)內(nèi)圓筒中央與浮子(003)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮子式激光液位測量儀，其特征在于，所述篩孔激光測井(001)為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層(007)采用六條垂直鋼絲(009)圍成圓筒，外層(008)為一直通的圓筒，內(nèi)外兩層之間用鋼絲(006)連接成一整體。
全文摘要
一種浮子式激光液位測量儀，屬液位測量儀。該液位測量儀包括篩孔激光測井(001)、測井固定裝置(002)、浮子(003)、平衡錘(004)、反射式激光測距儀(005)。本液位測量儀穩(wěn)定、可靠、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單，可在液面波動(dòng)較大的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)液位變化的實(shí)時(shí)檢測；也可在液面相對穩(wěn)定的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)液位的高精度測量；也為水文水位測量提供了方便快捷的檢測手段。
文檔編號G01F23/30GK101074889SQ200710024359
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者曹力, 徐森, 邱騰淵 申請人:南京航空航天大學(xué)