CN101592513B - 海洋工程落水槽水位监控仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋工程落水槽水位监控仪，包括：防波罩、水位传感器、液位显示仪，防波罩设置在落水槽侧壁上，防波罩内部设有水位传感器，水位传感器通过电缆连接液位显示仪，水位传感器包括一磁致伸缩结构，该磁致伸缩结构包括电子头、探测杆、浮球，浮球穿套于水位探测杆上，且可在探测杆上自由移动。本发明分辨率优于0.01％Fs，同时还具有检测重复精度高的优点。另外，由于磁致伸缩测量部分采用波导原理，无机械传动部分，无摩擦和磨损，整个变换器封闭在不锈钢管内，与测量介质非接触，传感器使用寿命长，可靠性好。水位计中干簧管的设置提高了水位计的可靠性，保证了试验落水槽的安全。

Description

海洋工程落水槽水位监控仪

技术领域

本发明涉及的是一种液位控制领域的落水槽水位测量与控制装置，具体是一种海洋工程落水槽水位监控仪。

背景技术

液位计(又称液面计)是一种测量液体表面位置的仪器。液位计在石油、化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等与国民生产和生活密切相关的诸多行业中有非常广泛的应用。液位计分为简单的、可直接指示液面高度的液位计和带有传递机构的、间接指示液位计。直接指示液位计(如玻璃板液位计)，目前它只用在少数简单的装置中，这是因为当前工业生产和加工业对自动化要求较高，这种精度不高、自动化程度低的液位计已远不能满足要求。

现在普遍采用带有机械机构或电信号传递的液位计。根据测量原理的不同，液位计的形态千差万别，其精度与适用范围也不尽相同，经济与技术特征各有千秋。下面是几种典型的液位计。

a.浮球式液位计

这种液位计：在液体中放入一个空心的浮球，当液位变化时，浮球将产生与液位变化相同的位移，可用机械或电磁的方法来测得浮球的位移。这种液位计不适用于高粘度的液体，其输出端有开关控制和连续输出。

b.静压(或差压)式液位计

由于液柱的静压与液位成正比，因此利用压力表测量基准面上液柱的静压就可测得液位。根据被测介质的密度及液体测量范围计算出压力或压差范围，再选用量程、精确度等性能合适的压力表或差压表。这种液位计的缺点是不适用以测量流动液体的液位。

c.超声液位计

超声液位计的传感器由一对发射、接收换能器组成。发射换能器面对液面发射超声波脉冲，超声波脉冲从液面上反射回来，被接收换能器接收。根据发射至接收的时间可确定传感器与液面之间的距离，即可换算成液位。这种液位计测量的方法有一定的盲区，且价格较高。

通过对现有技术的文献检索，申请号为200820050406.0的中国专利申请，提出了一种水位检测装置，它包括带磁铁的浮球、以及设置在杆体内的一个或一个以上的干簧管，浮球设置在干簧管外侧，杆体上对应干簧管设置有支座，浮球一端通过转轴铰接在支座上，浮球的中心轴线与杆体的中心轴线保持一定夹角。浮球上设置有楔形支撑块，楔形支撑块一端抵靠在杆体上。楔形支撑块或浮球上设置有突出的支架，支架一端抵靠在杆体上。楔形支撑块或浮球上设置有磁铁。浮球为筒状、杆状或球状。杆体单段端封闭，干簧管的引出线引出杆体外。该装置利用干簧管来检测水位，不能测量液面连续变化，精度较低，反应不灵敏，它只可用于准静态液位的测量，不适用于波动液面液位测量。由于海洋工程深落水槽使用的特殊要求，目前尚没有满足落水槽水位监控要求的液位计。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种海洋工程落水槽水位监控仪，利用磁效应和超声波效应来测量落水槽水位，测量精度高，抗干扰能力强，无机械传动部分，无摩擦和磨损，整个变换器封闭在不锈钢管内，与测量介质非接触，传感器使用寿命长，可靠性好。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：防波罩、水位传感器、液位显示仪，防波罩设置在落水槽侧壁上，防波罩内部设有水位传感器，水位传感器通过电缆连接液位显示仪，水位传感器包括一磁致伸缩结构，该磁致伸缩结构包括电子头、探测杆、浮球，浮球穿套于探测杆上，且可在探测杆上自由移动。

所述的探测杆由三层同轴的圆管组成，由外向内依次为：保护管、温度传感器管和波导管。

所述的波导管的两端分别设置干簧管。

所述的波导管内部是由磁致伸缩材料构成的波导丝组成。

所述的探测杆通过固定支架设置于落水槽侧壁上，探测杆竖立在防波罩内。

所述的探测杆上部靠近顶端处设有一接线盒，该接线盒通过电缆与液位显示仪连接。

所述的探测杆上部和下部靠近两端处分别设有一活动止水档。

所述的防波罩为一金属筒，防波罩顶部设有盖，盖上有透气孔，防波罩底部设有若干通水仓。

所述的干簧管的外壳为一密封玻璃管，玻璃管内设有两个铁质的弹性簧片电板，玻璃管内填充有惰性气体或抽成真空。

本发明的工作原理为：设置在试验落水槽中的水位传感器将测得的水位信号由电路传到液位显示仪，显示仪表根据水位信号做出判断，改变或调整水泵工作的状态，同时将水位信号显示在水位显示仪表上，便于试验人员查看。

本发明利用磁效应和超声效应的结合来达到测量目的。磁效应即：维德曼效应(Wiedemann)和维拉里(Viuary)效应。水位传感器电子头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩部分的波导丝上施加一个电脉冲信号，此电脉冲同时伴随一个环型磁场，以光速沿磁致伸缩部分的波导丝向下传递。当该环型磁场遇到浮球中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。根据维德曼效应，当外部磁场变化时，磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会随之发生变化。因此，当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩部分的波导丝会产生沿螺旋形磁场的伸缩变形，导致波导丝产生扭曲变形，从而激发扭转波(或返回脉冲)。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到水位传感器中的感应线圈时，将转换成横向应力。根据维拉里效应，磁致伸缩材料发生物理变形时，会在磁致伸缩材料内引起磁场强度的变化，因此，通过传感器线圈的磁通将发生变化，在传感器线圈两端将产生一个可以被检测到的感应电动势。超声扭转波的传播速度为一常数(2838m/s左右)。因此，从发射电流脉冲的一刻到检测到感应电动势的时间差乘以这个固定速度，便能精确地算出浮球的位置。

传感器探测杆内磁致伸缩结构的上方和下方装各装有一个干簧管，分别控制上限水位和下限水位。它主要作用是在磁致伸缩结构失效之后起确保安全的作用。当浮球随水位上、下浮动时，相应位置的干簧管动作使得传感器输出电压(或电流)发生变化。液位显示仪则根据变化的电压(或电流)信号以光柱来表示水位，液位显示仪的表面上、下设定旋钮，可以在0～100％之间任意设定，并可通过表内继电器输出来控制水位或报警。

本发明通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定波测位移量，分辨率优于0.01％Fs。本发明具有检测重复精度高的优点。另外，由于磁致伸缩测量部分采用波导原理，无机械传动部分，无摩擦和磨损，整个变换器封闭在不锈钢管内，与测量介质非接触，传感器使用寿命长，可靠性好。水位计中干簧管的设置提高了水位计的可靠性，保证了试验落水槽的安全。防波罩的应用提高了水位计的测量精度，也保护了水位计不受落水槽波浪影响。

附图说明

图1本发明设置于落水槽内的结构示意图。

图2本发明整体结构示意图。

图3本发明中探测杆的结构示意图。

图4本发明工作原理模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：防波罩2、水位传感器1、液位显示仪，防波罩2设置在落水槽111侧壁上，落水槽111与主体水池113相邻，主体水池113上设有消波滩112。防波罩2内部设有水位传感器1，水位传感器1通过电缆10连接液位显示仪。水位传感器1包括一磁致伸缩结构，该磁致伸缩结构包括电子头、探测杆4、浮球3，浮球3穿套于水位探测杆4上，且可在探测杆4上自由移动。探测杆4通过固定支架设置于落水槽111侧壁上，探测杆4竖立在防波罩2内。探测杆4上部靠近顶端处设有接线盒9，接线盒9通过电缆10与液位显示仪连接。

防波罩2为一筒状金属结构，防波罩2顶部设有盖，盖上有透气孔7，防波罩2底部设有若干通水仓6，水流可以自由出入，保持防波罩内水位与外部一致。液位显示仪设置在防波罩2内部，通过测量防波罩2内的水位就可以获知落水槽111的平均水位。防波罩2可有效消除波浪对水位传感器的影响，在防波罩2内获得较为平静的水面，提高了测量精度。

如图2和图3所示，探测杆4由三层同轴的圆管组成，由外向内依次为：保护管12、温度传感器管13和波导管14。保护管12由防腐蚀材料制成，提供保护作用；温度传感器管13内设有测温传感器，用来检测温度。波导管14内部是由磁致伸缩材料构成的波导丝15。波导管14的上端和下端分别有一个干簧管11，分别用来控制上限水位和下限水位。它主要作用是在磁致伸缩部分失效之后起确保安全的作用。探测杆4上部和下部靠近两端处分别设有一活动止水档5。干簧管11是一种无源电子零部件，被广泛地应用于各种通信设备中。干簧管11的外壳一般是一根密封的玻璃管，在玻璃管中装有两个铁质的弹性簧片电板，玻璃管中灌有惰性气体(如氮、氦等)或抽成真空。

如图1、图2和4所示，设置在落水槽111侧壁上的水位传感器1探测落水槽的水位，然后将该水位信号通过电缆10传递到液位显示仪。液位显示仪通过对水位的分析，根据要求发出控制信号操纵水泵工作。水泵将多余的水排入主体水池113，恢复主体水池113水位，确保水位恒定，满足试验要求。

本实施例利用磁效应和超声效应的结合来达到测量目的。水位传感器电子头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩部分的波导丝上施加一个电脉冲信号，此电脉冲同时伴随一个环型磁场，以光速沿磁致伸缩部分的波导丝向下传递。当该环型磁场遇到浮球中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。根据维德曼效应，当外部磁场变化时，磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会随之发生变化。因此，当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩部分的波导丝会产生沿螺旋形磁场的伸缩变形，导致波导丝产生扭曲变形，从而激发扭转波(或返回脉冲)。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到水位传感器中的感应线圈时，将转换成横向应力。根据维拉里效应，磁致伸缩材料发生物理变形时，会在磁致伸缩材料内引起磁场强度的变化，因此，通过传感器线圈的磁通将发生变化，在传感器线圈两端将产生一个可以被检测到的感应电动势。超声扭转波的传播速度为一常数(2838m/s左右)。因此，从发射电流脉冲的一刻到检测到感应电动势的时间差乘以这个固定速度，便能精确地算出浮球的位置。干簧管在磁致伸缩结构失效之后能起确保安全的作用。当浮球随水位上、下浮动时，相应位置的干簧管动作使得传感器输出电压(或电流)发生变化。液位显示仪则根据变化的电压(或电流)信号以光柱来表示水位，液位显示仪的表面上、下设定旋钮，可以在0～100％之间任意设定，并可通过表内继电器输出来控制水位或报警。

Claims (1)

1.海洋工程落水槽水位监控仪，包括：防波罩、水位传感器、液位显示仪，其特征在于，防波罩设置在落水槽侧壁上，防波罩内部设有水位传感器，水位传感器通过电缆连接液位显示仪，水位传感器包括一磁致伸缩结构，该磁致伸缩结构包括电子头、探测杆、浮球，浮球穿套于探测杆上，且可在探测杆上自由移动；

所述的探测杆由三层同轴的圆管组成，由外向内依次为：保护管、温度传感器管和波导管；所述的波导管的两端分别设置干簧管；所述的波导管内部是由磁致伸缩材料构成的波导丝组成；所述的干簧管的外壳为一密封玻璃管，玻璃管内设有两个铁质的弹性簧片电板，玻璃管内填充有惰性气体或抽成真空；

所述的探测杆通过固定支架设置于落水槽侧壁上，探测杆竖立在防波罩内；所述的探测杆上部靠近顶端处设有一接线盒，该接线盒通过电缆与液位显示仪连接；所述的探测杆上部和下部靠近两端处分别设有一活动止水档；

所述的防波罩为一金属筒，防波罩顶部设有盖，盖上有透气孔，防波罩底部设有若干通水仓。

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