CN101539449B

CN101539449B - 一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法及其装置

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Publication number: CN101539449B
Application number: CN2009100113615A
Authority: CN
Inventors: 张世伟; 梁文升; 张志军
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: CN101539449A

Abstract

一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法及其装置，属于自动控制技术的传感器元件领域。该方法主要利用光线折射原理，发射光纤射出的光线相对于液位指示器外表面的法线成一定角度倾斜入射，经液位指示器内外壁及其中介质的多次折射后射出；当光线所经过的管内介质发生变化时，介质的光学折射率不同，导致光线穿过液位指示器的路径发生偏转，并最终改变开关控制信号，从而达到测量液位的目的。本发明还提供了一种能够实现这种方法的定位保持装置，包括入射支架、接收支架、滑槽、滑环和夹紧装置。本发明所提出的方法可实现微细透明液柱的准确定位，而且不需要与被测介质相接触，专门设计的定位保持装置可使安装调试简单快速、方便易行。

Description

一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法及其装置

技术领域

本发明属于自动控制技术的传感器元件领域，特别涉及一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法及其装置。

背景技术

液位控制在石油、化工、医药、环境、流体工程等众多工业领域中有广泛的实际应用。液位控制开关的功能是：当所被观测的液体在某种容器内的液位高度达到(上升或下降)至指定的位置时，液位开关就立刻发出一个控制信号——通常是一个电路开关的通断转换动作——从而为液位的自动调节控制提供直接、准确的传感信号。

目前工业领域大量使用的液位开关有超声波式、浮力式、浸入式、电容式、音叉式、压力式、光电式等多种工作原理。其中大多数属于接触式液位开关，要求探测元件直接与被测液体接触，从而带来耐温、耐压、耐腐蚀、防止相互污染等一系列技术问题，这在很多情况下是不允许或不方便的。有些测量方法虽然是非接触式(如超声波式液位开关)，但却必须在容器上开孔和插入探测元件，因此也存在着类似的技术难点与问题。

光电式液位开关是一种能够真正实现非接触式测量的液位测量方法，目前采用的均是光线阻挡式测量原理。具体工作原理和测量方法是：通常要求在盛装液体的容器侧面设置有由管状透明材料(如玻璃管)构成、上下两端与容器连通的液位指示器，指示器玻璃管中的液体高度与容器内的液体高度相等；将光电开关的光线发生器和接收器分别安置在玻璃管指定高度处的两侧，光线发生器发出的光线透过玻璃管被接收器接收，然后经放大电路转换为电信号；当液位指示器玻璃管内的液柱升高至光线所在位置时，通过完全阻挡或大大削弱透射光线，使光线接收器感受不到光线信号；放大电路工作状态随之发生改变，进而输出一个电路状态转变的电信号，实现液位指示和控制。

这种依据光线阻挡式工作原理工作的光电液位开关，与光电式定位开关、接触开关或限位器等光电位置传感器相同，要求被测液体为不透明或半透明性。而对于液体透明度很好、管内液柱较细(因此对光线削弱程度小)以及管壁相对较厚的工作情况，这种光电液位开关就无法正常工作或者可靠性较差了。因此，透明液体微细液柱的非接触式液位测量问题，是目前液位开关尚未解决的一个空白。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法及其装置，其特征是能够对被测液位指示器内液体透明度高、被测液位指示器较细以及被测液位指示器管壁相对较厚的透明微细液柱实现准确、灵敏的非接触式光电液位测量；对于被测液体为不透明或半透明性、被测液位指示器内液柱较粗等(普通光电液位开关能够正常工作)工作情况也同样适用；还可以利用两种不同液体的折射率不同来测量两种互不相溶液体间分界面的准确定位，以及透明物体行程位置的非接触式光电测量控制。

为实现上述功能，本发明提供了一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法，被测液位指示器中先后存在两种介质，光电液位开关包括光线发生器、发射光纤、接收光纤、光线接收器与放大电路，光线发生器产生探测光线信号，光线经发射光纤的传输射入被测液位指示器中，射出后被接收光纤接收，传输给光线接收器，经放大电路输出电信号，本发明的特点在于利用光线折射原理并配套使用一种定位保持装置来测量液位，包括如下步骤：

(1)利用定位保持装置将发射光纤和接收光纤固定在被测液位指示器的设定高度处，将发射光纤与接收光纤的圆周角度调整为β₁或者β₂，当发射光纤与接收光纤之间的角度为β₁时，接收光纤能接收到经第一种介质折射后射出的光线；当发射光纤与接收光纤之间的角度为β₂时，接收光纤能接收到经第二种介质折射后射出的光线；

(2)探测光线相对于液位指示器外表面的法线成一定角度倾斜射入，在被测液位指示器的内外壁和管内第一种介质中经过多次折射后从另一侧射出，当接收光纤与发射光纤之间的圆周角度为β₁时，射出光线被接收光纤接收并传输给光线接收器，经放大电路输出电信号；当接收光纤与发射光纤之间的设定角度为β₂时，接收光纤接收不到光线；

(3)当被测液位指示器内的第二种介质上升或下降至光线所在位置时，当接收光纤与发射光纤之间的圆周角度为β₁时，接收光纤无法接收到光线信号，光线接收器与放大电路工作状态随之发生改变，输出一个电路开关状态转变的电信号；当接收光纤与发射光纤的圆周角度为β₂时，射出光线被接收光纤接收并传输给光线接收器，经放大电路输出电信号。

相对于被测液位指示器中心，入射光线与射出光线之间的夹角β可按如下公式计算：

β＝π-2(I₂-J₃-J₂)

其中

I_{2} = \arctan \frac{{\sin I}_{1}}{\sqrt{{(R_{3} n_{3} / (R_{2} n_{1}))}^{2} - s {in}^{2} I_{1}}}

J_{3} = \arctan \frac{{\sin I}_{1} (\sqrt{{(n_{2} / n_{1})}^{2} - \sin^{2} I_{1}} - \sqrt{{(R_{3} n_{2} / (R_{2} n_{1}))}^{2} - \sin^{2} I_{1}})}{\sqrt{{(n_{2} / n_{1})}^{2} - \sin^{2} - I_{1}} \cdot \sqrt{{(R_{3} n_{2} / (R_{2} n_{1}))}^{2} - \sin^{2} I_{1}} + \sin^{2} I_{1}}

J_{2} = \arctan \frac{\sin I_{1} (\sqrt{{(R_{1} / R_{2})}^{2} - \sin^{2} I_{1}} - \sqrt{1 - \sin^{2} I_{1}})}{\sqrt{1 - \sin^{2} I_{1}} \cdot \sqrt{{(R_{1} / R_{2})}^{2} - \sin^{2} I_{1}} + \sin^{2} I_{1}}

式中，n₁、n₂和n₃分别表示被测液位指示器外介质的光学折射率、液位指示器管材料的光学折射率和被测液位指示器内光线所在位置处介质的光学折射率。R₁、R₂和R₃分别代表光纤发射点所在位置的圆周半径、被测液位指示器管外径和被测液位指示器管内径。I₁为光线在被测液位指示器外侧的入射角。

当上式中n₃取值等于被测液位指示器内第一种介质的光学折射率n₃₁时，通过上式可以计算出入射光线经第一种介质折射后射出的光线与入射光线之间的圆周角度β₁；当上式中n₃取值等于被测液位指示器内第二种介质的光学折射率n₃₂时，通过上式可以计算出入射光线经第二种介质折射后射出的光线与入射光线的圆周角度β₂。

为了便于实现上述的使用光电液位开关测量液位的方法，本发明还提了一种用于固定、调节发射光纤和接收光纤的定位保持装置，该装置主要包括入射支架、接收支架、滑槽、滑环和夹紧装置，光电液位开关的入射光纤和接收光纤分别插入固定在入射支架和接收支架上，入射支架固定在滑槽上，接收支架固定在滑环上，滑环可以带动接收支架在滑槽内部滑动。

所述的夹紧装置设在滑槽底部，包括从滑槽底部对称伸出的两个悬片，悬片上连接有紧定抓手；悬片上部开有圆柱孔、下部开有螺纹孔，紧定抓手有两个伸出端，上部的伸出端作为导向杆插入悬片上部的圆柱孔，下部的伸出端通过推进螺栓与悬片下部的螺纹孔连接；推进螺栓内侧设有套筒，紧定抓手下部的伸出端伸入套筒中，推进螺栓和悬片下部的螺纹孔通过螺纹进行联接。旋转推进螺栓，可以推动紧定抓手相对于悬片径向前后移动，从而夹紧被测液位指示器并将其调节到定位保持装置的中心位置，将整个定位保持装置固定于被测液位指示器之上。

滑槽外侧设有紧定螺钉，当调节好滑环的位置时，拧紧紧定螺钉固定滑环；入射支架通过螺母与滑槽连接，通过调节螺母可以固定入射支架的放置角度；接收支架通过螺母与滑环连接，通过调节螺母可以固定接收支架的放置角度。

本发明具有如下优点：

(1)本发明所提出的方法可实现微细、透明液柱的准确定位，测量精度不受液柱尺寸影响；

(2)本发明所提出的方法可以准确判断、指示出两种不同液体介质分界面的位置，不受两种液体的颜色和透明度的影响；

(3)在管壁和被测介质颜色非常接近的情况下，也有极高的测量可靠性，对被测液体的透明度没有特殊要求，因此适合于各种液体的液位控制；

(4)该液位开关不需要与被测介质相接触，即可控制液位，可应用于不许开孔、保证气密性、不得接触外界空气、水分等环境条件下；

(5)为了实现本发明方法所专门设计的定位保持装置，可使安装调试简单快速、方便易行，适合于不同尺寸的被测液位指示容器且所需安装空间很小；

此外，本发明提出的测量方法，还可以替代传统的阻挡式位置传感器，解决透明物体的非接触式位置检测与控制问题。

附图说明

图1为本发明所提出方法的光学测量原理示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的定位保持装置的俯视图；

图4为本发明的定位保持装置的主视图；

图5为本发明的定位保持装置的A-A剖面图。

图1中符号如下：I₁被测液位指示器外侧入射角，I₂被测液位指示器内侧折射角，J₁光线入射点A处外法线和入射光线AB方向夹角，J₂光线入射点A处外法线和X轴负方向夹角，J₃为C点外法线和X轴负方向夹角，β光线入射点A和接收点F间的偏转角∠AOF，Δβ被测液位指示器内两种不同物质间的出射光线偏转角之差，即∠FOF′，R₁光线发射点和接收点所在圆周半径，R₂被测液位指示器外径，R₃被测液位指示器内径。

图2至图4中符号如下：1光线发生器，2发射光纤，3定位保持装置，4被测液位指示器，5接收光纤，6光线接收器与放大电路，7滑槽，8滑环，9紧定螺钉，10悬片，11接收支架，12紧定抓手，13入射支架，14第一螺母，15第二螺母，16推进螺栓。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细描述：

本发明的光学测量原理如图1所示：将检测光线与液位指示器的外法线成一定角度I₁照射进入液位指示器，即图中的AB线，光线在穿越液位指示器的整个过程中，将依次在液位指示器的内外壁面处B、C、D、E各点发生折射现象，其折射角度的变化遵从正弦折射定律，最后光线到达接收光纤的位置F点，与入射光线成角度β。当液位指示器内的被测液体到达光线所在高度时，由于被测液体对光线的折射率与管内原来的介质(气体、真空或另一种液体)对光线的折射率不同，光线在液位指示器内壁C点处的折射角度就会发生变化，从而使光线的后半段行程发生偏转。如当被测液体的折射率大于原来物质的折射率时，光线将向下偏转，行走路线变为ABCD′E′F′。由于F′点偏离了原来的接收位置F点，接收光纤就无法接收到光线信号了。

图2为本发明的结构示意图，包括：用于产生探测光线信号的光线发生器1，用于传输探测光线的发射光纤2，用于接收和传输探测光线信号的接收光纤5，可以将接收光线信号转换和放大成为电信号，并最终输出电路开关控制信号的光线接收器与放大电路6，以及用于将发射光纤和接收光纤固定于被测液位指示器4上并调整其位置和角度的定位保持装置3。

本发明提供了一种具体的实施例：待测的液位指示器的材料为玻璃，管外径φ30mm，内径φ10mm；管外侧为空气，光学折射率为n₁＝1，玻璃的光学折射率为n₂＝1.5，管内的两种介质分别为空气和被测液体纯水，其光学折射率分别为n₃₁＝1和n₃₂＝1.333。

首先设计选取光纤发射点和接收点圆周半径R₁＝25mm，选取入射角I₁＝15°；由计算得出，当管内介质为空气时，光线入射点和接收点间的偏转角β₁＝132°44′；当管内介质为纯水时，偏转角β₂＝163°21′；可以满足测量要求。

本发明的定位保持装置的结构如图3至图5所示：将组装好的定位保持装置3套装在液位指示器4上；通过旋转推进螺栓16，可以推动紧定抓手12相对于悬片10做径向移动，分别调节两侧的推进螺栓16的旋转位移，可以实现滑槽7和被测液位指示器4的对中同心定位；当将入射支架13上的插孔位置调节到所要控制的液面位置高度时，旋紧推进螺栓16，使整个定位保持装置3固定在被测液位指示器4的外侧。

将发射光纤2插在入射支架13上，利用第一螺母14调节入射支架13在滑槽7上的角度位置，使入射光线在被测液位指示器4表面得到理想的入射角I₁＝15°；将接收光纤插入在接收支架11上，在滑槽7内滑动滑环8，使接收支架11与入射支架13之间的圆周夹角等于计算值β＝132°44′，然后利用第二螺母15调节接收支架11在滑环8上的接收角度位置，保证由发射光纤射出的光线信号经过被测液位指示器4和管内空气的折射，最终能够准确射入接收光纤；调整完毕后，通过旋紧滑环8下的第二螺母15和滑槽7外侧的紧定螺钉9，实现最终定位。

在工作中，当被测液位指示器4内液面还没有上升到指定位置时，光线所在位置处的被测液位指示器4内部充满空气，由光线发生器产生的探测光线信号，经发射光纤的传输照射在被测液位指示器4上，在被测液位指示器4的内外壁中经过多次折射后从另一侧射出，被接收光纤接收并传输给光线接收器，再经放大电路转换为一种输出电信号。当被测液位指示器4内的纯水上升至光线所在位置时，穿越管内的光线因折射角度不同而发生偏转，接收光纤无法接收到光线信号，从而导致光线接收器与放大电路工作状态随之发生改变，进而输出另一种电信号，发生电路开关状态的转变，实现液位指示和控制。

本实施例还可以将接收支架11与入射支架13之间的圆周夹角调整为计算值β₂＝163°21′，这样当光线所在位置处的被测液位指示器4内部为纯水时，探测光线信号可以被接收光纤所接收；当被测液位指示器4内的纯水下降至光线所在位置以下时，光线所在位置处的被测液位指示器4内充满空气，则接收光纤不能接收到探测光线信号，从而导致光线接收器与放大电路改变输出电信号。

Claims

1.一种使用光纤式光电液位开关测量液位的装置，包括光线发生器、发射光纤、接收光纤、光线接收器、放大电路和定位保持装置，其特征在于：该定位保持装置包括入射支架、接收支架、滑槽、滑环、滑槽外侧设有紧定螺钉和夹紧装置，入射支架固定在滑槽上，接收支架固定在滑环上；所述的夹紧装置设在滑槽底部，包括从滑槽底部对称伸出的两个悬片和与悬片连接的紧定抓手；所述的悬片上部开有圆柱孔，下部开有螺纹孔，紧定抓手有两个伸出端，上部的伸出端插入悬片上部的圆柱孔，下部的伸出端通过推进螺栓与悬片下部的螺纹孔连接。

2.如权利要求1所述的使用光纤式光电液位开关测量液位的装置，其特征在于：所述的推进螺栓内侧设有套筒，紧定抓手下部的伸出端伸入套筒中，推进螺栓和悬片下部的螺纹孔通过螺纹进行联接。

3.如权利要求1所述的使用光纤式光电液位开关测量液位的装置，其特征在于：所述的入射支架通过螺母与滑槽连接，接收支架通过螺母与滑环连接。