CN101074889A

CN101074889A - 浮子式激光液位测量仪

Info

Publication number: CN101074889A
Application number: CN 200710024359
Authority: CN
Inventors: 曹力; 徐森; 邱腾渊
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2007-11-21

Abstract

一种浮子式激光液位测量仪，属液位测量仪。该液位测量仪包括筛孔激光测井(001)、测井固定装置(002)、浮子(003)、平衡锤(004)、反射式激光测距仪(005)。本液位测量仪稳定、可靠、安装方便、结构简单，可在液面波动较大的环境下，实现动态液位变化的实时检测；也可在液面相对稳定的环境下，实现液位的高精度测量；也为水文水位测量提供了方便快捷的检测手段。

Description

浮子式激光液位测量仪

技术领域

本发明涉及一种测量液位的通用测量仪器及技术。

背景技术

液位测量中最常用的测量终端莫过于液位计，按测量方式大致可分为浮子式、超声波式、激光式、振弦式、压力式以及感应式等多种形式，它们各有优缺点。浮子式是用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码，这种液位计的优点是价格相对较低，缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短；超声波液位计和激光液位计测量精度较高，没有机械部件，可靠性较高，但对反射目标有一定的要求；振弦式液位计主要用于小量程液位的测量；压力式精度较低，而且受液体比重、温度等因素的影响较大；感应式的精度比较高，但是测量范围有限，限制了其应用。

目前浮子式液位计的使用范围较广，从飞机油料检测到水文水位测量都有其典型应用实例。但是在应用过程中，也存在一些问题需要解决，例如，在飞机油料检测过程中，由于飞机的机动性能较强，油箱液面波动较大，单点测量误差较大；水文测量时，为了减少水面波动影响测量准确性，需要建造测井，投资较大，此外由于机械或光电传动机构限制，测量精度较低。激光技术作为现代光电技术的主要成果，在众多领域已有成功应用，其中激光测距仪已成为一种方便的距离测量仪器。但由于激光测量需要反射面满足一定的条件，影响了其在液位测量方面的推广应用，尤其是在液面波动较大的情况下的测量。

现在关于浮子式液位测量方法的研究主要集中于浮子和机械传动机构的改进，如中国发明专利(200610085948.7)以重力卷扬收揽装置取代平衡锤，大大减小浮子尺寸，同时能克服测缆重量所引起的误差；在另一项中国发明专利(03128971.1)中采用轮轴式结构的平衡装置，结构简单，安装及维护方便；而美国发明专利(4416509)中为了保证电磁波能平行于入射角反射，设计了一种多面体结构的球形浮子。有关激光测量液位方面的研究集中于如何确保反射的有效接收，中国发明专利(200610109311.7)在利用空心探测杆和一套磁浮装置，有效避免激光对液体的直接照射；在日本发明专利(3088965)中通过一根垂直绳索限制浮子只能沿液位变化上下移动，提高了激光测量的有效性；同时可以用于大范围测量，精度较高，且不受外界环境的影响。

发明内容

鉴于上述分析，本发明的目的在于提供一种稳定、可靠及安装方便的液位检测设备。在液面波动较大的环境下，实现动态液位变化的实时检测；也可以在液面相对稳定的环境下，实现液位的高精度测量。同时，也为水文水位测量提供方便快捷的检测手段，避免传统浮子式水位计在安装及使用过程中的部分缺点。

一种浮子式激光液位测量仪，其特征在于：包括筛孔激光测井、测井固定装置、浮子、平衡锤、反射式激光测距仪，所述筛孔激光测井为圆筒形，置于液体中或与液体相通，该筛孔激光测井的底部固定在置于液体中的测井固定装置上；所述浮子置于筛孔激光测井的内圆筒中；所述平衡锤置于浮子内；所述反射式激光测距仪竖立于筛孔激光测井内圆筒中央与浮子相连；所述筛孔激光测井为内外两层结构，内层采用六条垂直钢丝围成圆筒，外层为一直通的圆筒，内外两层之间用钢丝连接成一整体。

该浮子式激光液位测量仪，稳定、可靠、安装方便、结构简单，检测精度高，应用场合广，可在液面波动较大的环境下，实现动态液位变化的实时检测，也可在液面相对稳定的环境下，实现液位的高精度测量，也为水文水位测量提供了方便快捷的检测手段。

附图说明

图1是本发明的浮子式激光液位测量仪的结构组成原理示意图；

图2是本发明中的筛孔激光测井结构示意图，其中图2(a)为整体图，图2(b)为外层圆筒结构示意图，图2(c)为内层圆筒结构示意图；

图3是本发明中的浮子内部结构示意图；

图4为本发明的数据处理框图；

图5为数据处理流程图。

图6为水文检测时河流水位测量工作示意图；

图7为储油罐油料测量工作及安装示意图；

图8为油箱剩余油料测量工作及安装时意图，其中图8(a)为俯视图，图8(b)和图8(c)为主视图，图8(d)为左视图。

上述图中标号名称：001-筛孔激光测井，002-测井固定装置，003-浮子，004-平衡锤，005-反射式激光测距仪，006-钢丝，007-内层，008-外层，009-垂直钢丝，010-固定支架，011-桥墩，012-河岸。

具体实施方式

本发明的液位测量仪，包括筛孔激光测井001、测井固定装置002、浮子003、平衡锤004以及反射式激光测距仪005。结构组成原理图如图1所示。

为了达到上述目的，本发明提供了一种可以真实反应被测液面变化情况的激光反射测井装置001，该装置的测井筒壁采用两层结构，如图2所示。外层008为一直通的圆筒，内径较大，筒底为筛网，与外界液体保持连通，保证测井内液体的清洁；因外层管径较大，可以实时反应外界液面的变化情况；同时筒壁与外界液体的隔离作用可以保证测井内液面尽可能不受外界液面波动的影响，液面比较平静。内层007采用六条垂直钢丝009围成的圆筒，与外测井液面连通，主要是约束浮球的横向水平运动，浮球可以不受任何约束地随液面上下移动；内筒直径较小，主要考虑到浮球直径过大会影响低液面测量时的效果。内外层之间用短钢丝006连接，如果测量液面变化范围较大，可以在中间增加连接钢丝，确保内层钢丝不变形。同时在液位测量时，测井底部必须安装固定002，防止测井晃动而引起的无效测量。测井内径需要考虑到浮子直径的大小，确保浮子可以在测井内灵活自由地根据液面变化升降。

为了确保反射式激光测距仪005稳定可靠的工作，仪器中的浮子采用圆形浮球003，外径略小于测井内层内径。这样的结构既可以确保浮子与测井内壁接触面积最小，减少摩擦，运动灵活；又可以利用测井的横向约束作用，限制其在液面的横向运动，保证升降灵活性。平衡锤004也为球形，内置于浮球内部，不受外界约束。这种结构设计可以确保任意时刻激光束可以有效地沿球面照射点法线方向反射，满足激光接收器对激光反射强度要求；同时上表面不会附着大量液体而影响激光束的反射，有利于在液面变化剧烈的环境下测量。同时，内置式平衡浮球也可以减小液体冲击作用力，避免浮球晃动，提高反射可靠性。结构及工作原理如图3所示。

如上所述的液位测量仪，其中的反射式激光测距仪主要用于测量激光器距离浮子反射面间的距离，由于浮子可随液面变化，该距离可以反映出液面高度信息。实际液面高度可由下式计算获得：

h_c＝H_JD-h_jc-h_FY

激光器高度H_JD是指激光器距离容器底部距离；激光测距仪测量距离h_jc反应激光器距离浮球反射面的距离；浮球高于液面的高度h_FY是指浮球激光反射面高于液面的高度。上式表示激光测距仪实际检测系统安装完成后，测量误差主要来自两部分：1、浮子定点距液面的高度波动，即浮子相对高度波动；2、由于液面波动、噪声和无效采样而引起的激光测距仪检测误差。

本发明提供了相应的测量误差修正方法。针对浮子相对高度的波动变化是一种等幅的上下波动；对于上述第二类测量误差，主要由于激光测距仪检测误差，造成这种误差主要是因为来自于反射激光强度不足而引起的检测数据丢失或者噪声。中值滤波技术可以有效解决上述问题，算法简单，使用方便。有关技术有大量文献介绍，这里取连续5个采样值滤波，主要考虑测量精度和系统相应速度两方面的因素。

如上述分析，激光测距仪测量的数据需要进一步处理，仪器提供了数据通讯及处理功能单元，激光测距仪提供的测量数据为数字量，同时提供外部通讯接口(一般为RS232)，方便通讯。数据处理单元(中央处理器，CPU)负责数据的接收、滤波以及数据结果保存和输出等处理。CPU采用16位TMS320C203，主要是仪器精度的要求，5米的液位变化范围，测量精度达到1毫米，采样分辨率为0.0002，至少需要13位的A/D，8位处理器需要分次处理，比较复杂。处理结果直接以数据格式写入U盘，方便使用；有关技术已经相当成熟。系统数据处理如图4所示，数据处理流程如图5所示。

与现有浮子式液位测量装置相比，本发明中采用激光测距仪取代传统浮子式液位仪中的吊挂钢索、水位轮、平衡锤等装置，简化了设备结构，提高了仪器的动态相应速度；同时由于测量井的双层结构，既能够在一定程度上减小液体的冲击影响，准确迅速的反应被测液面的实际变化情况，为高精度液面动态测量提供了有利的条件。采用内置平衡球的浮子式结构设计，进一步提高测量的可靠性和稳定性，减少测量误差。由于设备结构的简化和小型化，也为移动测量的应用提供了有效的方法。同时避免了在水文测量应用中的测井建设，安装简便，使用灵活，检测精度高，大幅降低建设和使用成本。采用浮球反射，提高了反射稳定性，也避免了不同测量介质特性差异而引起的激光反射特性差异，提高了设备的通用性。

实施例1

水文中的水位测量：

在水利水文领域，测量江河湖泊或水库水位变化是非常重要的。测量仪器长期在野外恶劣的环境下工作，环境的温度、湿度、水面波浪等会严重影响测量精度；同时在有些情况下水位变化幅度较大。本实例中，采用本发明的浮子式激光液位仪，精确测量水位变化。在测量江河湖泊水位时，本仪器可以利用桥梁、码头或堤坝等固定。由于采用本发明技术，无需建设测井，不仅节约了大量的建设投资；同时也可在无法建造自记井的环境下使用，扩大了应用范围。

对于水面的波动，本测量仪器在测井设计时已经考虑，外层测井结构可以起到缓解波动影响的作用，同时中值滤波也可以补偿由于水面波动的测量误差；测量范围必须满足最大水位变化的范围，因此测井高度选择应大于该测量范围；安装时也需要考虑此因素。

图6所示为本仪器测量河流水位变化时的安装及工作原理图。

实施例2

储油罐油料检测：

图7所示为储油罐液位测量的原理及安装示意图。液位测量设备安装于储油罐外部连通的测井内，该测井与储油罐连通，能够直接反应储油罐内部液位的变化情况。由于外置测井可以减少液面波动引起的测量误差，该方法测量精度较高。

与传统的储油罐液位观测计量方法比较，本实例中的测量可以直接、方便地输出测量数据，为进、出油料的自动化提供了有利的支持。同时由于本检测设备本身受外界环境的影响较小，避免了其它测量液位传感器因环境变化引起的测量误差。

存储油量测量时，需要为所测量的具体储油罐建立液位——油量的关系，根据此关系和检测的液位数据，方便地计算出储油量。

实施例3

油箱油量检测：

对于机动性较高的运动物体，其油量的测量是一件非常困难的工作。由于加速、减速运动、颠簸等原因，导致油面波动剧烈，精确测量有一定难度。利用本发明的测量仪器，可以实现油量比较准确的测量。

事实上，对于液面波动剧烈的液体检测，关键是要了解液面的变换情况，因此利用多个本发明仪器组合，可以较方便地测量液面波动情况。图8所示是采用5套本发明仪器的油箱油量测量工作示意图，通过该5个测量点可以获得油箱液面的倾斜情况，粗略获得液面的变化曲面，基本反映液面变化真是情况。进一步，可以根据此曲面计算油箱剩余油料。图8中的图8(a)为俯视图，图8(b)和图8(c)为主视图，图8(d)为左视图。

实际测量时，需要根据测量精度的要求具体选择测量仪器的数量及安装位置，测量精度越高，需要的传感器个数越多。

Claims

1、一种浮子式激光液位测量仪，其特征在于，包括筛孔激光测井(001)、测井固定装置(002)、浮子(003)、平衡锤(004)、反射式激光测距仪(005)，所述筛孔激光测井(001)为圆筒形，置于液体中或与液体相通，该筛孔激光测井(001)的底部固定在置于液体中的测井固定装置(002)上；所述浮子(003)置于筛孔激光测井(001)的内圆筒中；所述平衡锤(004)置于浮子(003)内；所述反射式激光测距仪(005)竖立于筛孔激光测井(001)内圆筒中央与浮子(003)相连。

2、根据权利要求1所述的浮子式激光液位测量仪，其特征在于，所述筛孔激光测井(001)为内外两层结构，内层(007)采用六条垂直钢丝(009)围成圆筒，外层(008)为一直通的圆筒，内外两层之间用钢丝(006)连接成一整体。