CN100468015C - 浮力扫描式液位、多相界面检测方法及其检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开的浮力扫描式液位、多相界面检测方法是：垂直往复匀速拉动浮子，在其触及液位或界面，即产生拉力突变，扫描检测其突变时刻，经浮子运行速度与时间的乘积，再与起始位修正，从而得出其准确的液位或界面高度值。实现上述检测方法还提供了一种检测仪，由信号处理主机、浮子、驱动电机和拉力传感器组成，其拉力传感器串接于浮子牵拉线上，拉力传感器传感信号经数据传输通道送入信号处理主机。本技术方案既能检测被测液体密度变化状态下的液位或界面，又能够检测密度不同、且互不相混的多种液体以及液体、固体并存的多层介质交界面或液位。

Description

浮力扫描式液位、多相界面检测方法及其检测仪

所属技术领域

本发明涉及的是液位或界面测量方法和其检测仪器。

背景技术

现有的液位或界面检测仪表主要包括有浮子液位计、超声液位计、雷达料位计和电离辐射物位计。

浮子液位计主要由浮子、位置传感器和仪表主机组成，其浮子通常为中空的球体或圆筒，它主要是测量浮子处于重力与其所受浮力达到平衡状态时的一种位置测量装置，因而这种液位仪只能得到单一液位值。在实际检测中，要求其浮子的总体平均密度约为液体密度的二分之一，漂浮中浮子的一半浸没于液面下。现有浮子液位计存在的技术问题是：一是只能用于单一液位检测，而无法用于两种以上不相混的多种介质的交界面和液位的检测；第二是：它只适合于被测液体比重(或密度)恒定不变的检测场合，当液体本身的比重(或密度)发生变化时，浮子浮起高度就会随之发生变化，从而造成较大的测量误差，甚至无法检测。如对于同一液位高度，当液体密度增大时，其浮力增大，浮子漂浮位置会升高，当液体的密度减小时，其浮力降低，浮子漂浮高度也随之降低，甚至会沉到液体底部，导致测量失效。日本专利申请：JP特开平7-146167A公开了一种检测钢水和溶渣界面及液位的方法技术方案，在其技术方案中其浮子为棒状体，存在感应面积小、因而大大影响其检测灵敏度和检测精度的技术问题，分辨率低。

所述的其它类型的液位检测仪，即超声液位计、雷达料位计和电离辐射料位计同样存在不能进行两种以上不相混的多界面和液位检测的技术问题。具有连续指示的电离辐射液位计也不能用于液体密度变化状态下的液位检测；并存在量程小、造价贵和潜在辐射危害等技术缺陷。另外一种利用工业CT垂直成像来实现密度变化状态下多种介质的多个界面的检测仪器，其造价高昂，是常规液位计的几百倍。

发明内容

本发明专利申请的发明目的在于提供一种又能在被测液体密度变化中、密度分布不均匀的情况下，还能在密度不同、且互不相混的多种介质环境中实现液位和多界面测定的浮力扫描式液位、多相界面检测方法及其检测仪。本发明专利申请的浮力扫描式液位、多相界面检测方法技术方案，其主要技术内容是：

一种浮力扫描式液位、多相界面检测方法，其方法为：由上部为圆锥体和圆锥体底部固定具有底平面圆饼体(10)构成浮子，其总体平均密度大于被测液体密度，该浮子作为垂直牵拉重力体，以设定的速度，拉动其匀速往复垂直运动，在运动过程中感应其牵拉受力，其拉力突变时刻，即为浮子底平面刚刚接触介质界面之时刻，该突变时刻与已设定的上起始位或下起始位及其初始时刻，按以下数学模型计算得出其液位或界面高度值：

当浮子向上运动时：H_Y＝Hx+V·(t_Y-t_x)；

当浮子向下运动时：H_Y＝Hs-V·(t_Y-t_s)；

式中，H_Y-液位或界面高度值，Hx-浮子下起始位高度值，

      Hs-浮子上起始位高度值，t_x--浮子下起始位初始时刻，

      t_s-浮子上起始位初始时刻，t_Y-拉力突变时刻，

      V-浮子运行速度值。

本发明还提供了实施上述浮力扫描式液位、多相界面检测方法的检测仪技术方案，其主要技术内容是：一种浮力扫描式液位、多相界面检测仪，包括有信号处理主机、浮子、双向驱动电机和拉力传感器，其中浮子由上部的圆锥体和圆锥体底部的具有底平面的圆饼体构成，浮子的总体平均密度大于被测液体密度，由双向驱动电机匀速垂直牵拉浮子，拉力传感器串接设置于浮子牵拉线，拉力传感器感应信号经数据传输通道与信号处理主机相联，双向驱动电机的电机控制器的开关量信号连接至信号处理主机。

在各种工业过程中，存在着众多的需要感测的密度变化、密度分布不均匀的液体，以及由两种以上的介质构成的多层液位或界面，现有技术及其产品或无能为力，或因成本极高而无实际应用价值。本发明公开的浮力扫描式液位、多相界面检测方法及其检测仪，其技术方案的设计思想是：匀速垂直运行中的浮子穿行至不同密度介质间界面时，其所受浮力会产生突变，牵拉浮子的拉力也随之突变，通过扫描感应其拉力突变时刻，根据简单的数学模型进行数据运算，即可实现液位或界面高度值的转换和准确测定。因而可以看出：当液体的密度发生变化时，只能引起拉力的数值发生变化，而拉力曲线上的突变点位置不变，因而液体密度的变化不会对液位测量产生影响。尤其是采用底面为圆饼体、上部为圆锥体的浮子，由于其厚度薄、与液面或界面的作用面大，其所受浮力与其半径的平方成正比，对浮力变化的感应就越加灵敏，从而大大提高了其分辨率，有效的提高了检测精度。所以，本技术方案不仅能够在被测液体的密度经常变化的情况下，实现液位或界面的准确测定，也能够在密度不同的、互不相混的多种液体以及液体、固体并存的介质中进行多层交界面或液位的准确检测。例如油田储油罐、缓冲罐或油水分离器等设备中，由本浮力扫描式液位、多相界面检测仪对油、水、泥三种共存介质的界面进行测定，即测定油的液位、油水界面及水与泥的界面，从而实现对储油罐自动计量管理，对脱水工艺实施自动控制。又如在选矿厂反浮选工艺中，其浮选池中的矿浆一直处于边沉淀、边流动的状态中，其矿浆密度处于动态变化过程中，本浮力扫描式液位、多相界面检测仪既可准确测定浮选池内矿浆和泡沫的交界面，还可测定泡沫层的厚度，实现了反浮选工艺的自动化生产控制。还如，应用于选矿厂尾矿池中对矿浆密度在垂直方向的分布情况进行检测，它是尾矿池排放工艺的关键参数，目前国内没有检测手段；应用本浮力扫描式液位、多相界面检测仪实时检测矿浆密度在垂直方向的分布数据，从而实现了排放过程自动化控制，大大节约动力能源，节约大量的水资源。本技术方案有效的解决了上述以及其它技术领域的液位或界面检测的技术难题，从而为实现其工业过程的自动化控制创造了条件。本发明技术方案还具有技术组成简单，检测准确，应用领域广阔的技术特点。

附图说明

图1为本浮力扫描式液位、多相界面检测仪的构成图

图2为本浮力扫描式液位、多相界面检测仪的电路方框图

图3为电机工作状态、浮子运行位置及其与拉力和时间之间关系的曲线图；其中第一曲线为电机工作状态曲线；第二曲线为浮子位置与时间对应关系的曲线，浮子底面在上起始位Hs和下起始位Hx之间进行周期性、匀速、往返运动；第三曲线为拉力随时间变化的关系曲线，t_s、t_x分别为浮子处于上起始位高度Hs、下起始位高度Hx对应的时刻，浮子底面移动到液位或界面H_Y附近时，拉力值发生突变，拉力变化差最大的时刻t_Y对应的高度就是液位或界位的高度H_Y；

图4为在油、水、固体三相共存介质中检测液位或界面的拉力和高度的变化关系曲线图，其中

Hs-浮子底面平面运行的上起始位高度

H1-油液位高度

H2-油水界面高度

H3-固体沉积表面高度

Hx-浮子底面运行的下起始位高度

W0-浮子在空气中的拉力值。

具体实施方式

下面将本发明的浮力扫描式液位、多相界面检测方法结合于实施该方法的检测仪结构内容进行详细说明。如图1所示，本浮力扫描式液位、多相界面检测仪包括有信号处理主机5、双向驱动电机3、电机控制器4、浮子1和串接于驱动电机牵拉浮子1牵拉线上的拉力传感器2，其中的浮子1的底面为平面，其总体平均密度大于被测液体密度，两者密度最佳比值为2：1。在本实施结构中，浮子1的上部为圆锥体，以避免在浮子上沉积污物而改变其质量，最大限度地保持浮子重量和密度的恒定，避免测量误差；固定于圆锥体底部为具有底平面的圆饼体10，其平面底面增大了与液面或界面的作用面，其面积越大，仪器测量的灵敏度就越高。上部圆锥体侧面与底面的夹角设置范围为30-60°，其最佳夹角为45°。

所述的浮子1由双向驱动电机3上、下匀速牵拉垂直往复运行。其双向驱动电机3可采用伺服电机、电动推杆、直线电机以及其他各种类型的双向电机，并设定为匀速运行方式。在本实施例，双向驱动电机采用了伺服电机，设置于电机输出轴的绞盘8上缠绕有牵拉浮子1的牵拉线。在绞盘8的不同角度位置固定安装有两个接近开关6、7，两接近开关所处的绞盘角度对应于浮子运行的上、下起始位；或者采用电机轴旋转编码器设置结构来实现浮子上、下起始位控制。浮子牵拉线上串接有拉力传感器2，本实施例选用了S形拉力传感器，其测量范围应与浮子1重量相适应，输出与拉力成正比的4～20mA的电流信号或0—5V的电压信号，经模/数转换器传输通道送入信号处理主机5。信号处理主机5可为PLC、由单片机组成的智能化控制主机或采用PC总线模式的工控机，它以时间扫描方式检测来自于模/数转换器传输通道的拉力传感信号。浮子运动的速度值V、浮子运动的上起始高度值Hs或下起始高度值Hx，由操作者键盘输入到信号处理主机5中。

拉力传感器2所获取的拉力传感信号经模/数转换器传输通道送入信号处理主机5。双向驱动电机3的电机控制器4把双向驱动电机3启动、停止和运行方向转换等开关信号送入信号处理主机5，由信号处理主机5判断拉力随时间变化的突变点，与事先设定的起始位时刻、浮子运行速度和起始位高度等参数，按以下的数学模型进行运算，即当浮子向上运动时：H_Y＝Hx+V·(t_Y-t_x)

当浮子向下运动时：H_Y＝Hs-V·(t_Y-t_s)

式中，H_Y-液位或界面高度值，Hx-浮子下起始位高度值，Hs-浮子上起始位高度值，t_x--浮子下起始位初始时刻，t_s-浮子上起始位初始时刻，t_Y-拉力突变时刻，

V-浮子运行速度值。

其工作过程如下：

双向驱动电机3在电机控制器4的控制下工作，带动浮子1作上下匀速往返运行。当下行浮子的底面到达最低点时，下限开关动作，电机控制器4控制双向驱动电机3反向运转，同时将开关信号送入信号处理主机5计时处理。当上行浮子运行到达最高点时，上限开关动作，电机控制器4控制双向驱动电机3反向运转，同时将该开关信号送入信号处理主机5计时处理。双向驱动电机3运转状态的信号波形如图3第一曲线所示。浮子1底面位置的高度和时间的对应关系曲线如图3第二曲线所示。浮子往返运行中，信号处理主机5扫描检测拉力传感器2拉力变送信号，拉力随时间的变化曲线如图3第三曲线图所示。

液位的判断方法如下：

浮子1的底平面10刚刚下降或上升到液位或界面附近的时刻，拉力发生突变，拉力变化最大值对应的时刻t_Y，就是液位H_Y对应的时间，液位高度H_Y按上述数学公式计算得出其液位或界面的高度值。

下面结合图4说明如油田储油罐、缓冲罐和油水分离器等设备中，从上至下容纳的油、水、泥三种共存介质界面的测定过程，即测定油液液位、油水界面及水与泥的界面。浮子1由最高点Hs向下运动，在Hs-H1之间，浮子处于油层上面，一直处于空气中，其拉力W0等于浮子的重量，一直保持为恒定值。当浮子位置到达H1时，浮子开始进入油中，由于油的浮力，使拉力急剧降低，拉力变化的最大值对应的高度值，就是油的液位。浮子在油中继续下移，到达H2处，出现第二个拉力突变点，即油水界面，浮子开始进入水层；浮子在水中继续向下移动，到达固体表面之后，浮子就停留在沉积固体表面，不再下移，拉力急变为零，且不再改变。拉力的突然变时刻对应高度为H3，就是固体的表面。

Claims (7)

1、一种浮力扫描式液位、多相界面检测方法，其特征在于该检测方法为：以上部为圆锥体、底部为具有底平面的圆饼体(10)构成的总体平均密度大于被测液体密度的浮子作为垂直牵拉重力体，以设定的速度，拉动其匀速往复垂直运动，在运动过程中感应其牵拉受力，其拉力突变时刻，即为浮子底平面刚刚接触介质界面之时刻，该突变时刻与已设定的上起始位或下起始位及其初始时刻，按以下数学模型计算得出其液位或界面高度值：

当浮子向上运动时：H_Y＝Hx+V·(t_Y-t_x)；

当浮子向下运动时：H_Y＝Hs-V·(t_Y-t_s)；

式中，H_Y-液位或界面高度值，Hx-浮子下起始位高度值，

Hs-浮子上起始位高度值，t_x--浮子下起始位初始时刻，

t_s-浮子上起始位初始时刻，t_Y-拉力突变时刻，

V-浮子运行速度值。

2、实现权利要求1所述方法的检测仪，其特征在于本检测仪包括有信号处理主机(5)、浮子(1)、双向驱动电机(3)和拉力传感器(2)，其中浮子由上部的圆锥体和圆锥体底部的具有底平面的圆饼体(10)构成，浮子的总体平均密度大于被测液体密度，由双向驱动电机匀速垂直牵拉浮子，拉力传感器串接设置于浮子牵拉线，拉力传感器感应信号经数据传输通道与信号处理主机相联，双向驱动电机的电机控制器的开关量信号连接至信号处理主机。

3、根据权利要求2所述的检测仪，其特征在于浮子(1)的圆锥体侧面与底面的夹角设置范围为30°～60°。

4、根据权利要求3所述的检测仪，其特征在于圆锥体侧面与底面的夹角为45°。

5、根据权利要求2所述的检测仪，其特征在于浮子的总体平均密度与被测介质密度比值为2：1。

6、根据权利要求2所述的检测仪，其特征在于对应浮子上起始位和下起始位分别设有一限位开关(6、7)。

7、根据权利要求2所述的检测仪，其特征在于双向驱动电机(3)输出轴设有旋转编码器。

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