CN102221392A

CN102221392A - 基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法

Info

Publication number: CN102221392A
Application number: CN 201110079746
Authority: CN
Inventors: 何伟; 杨明红; 王成刚
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: CN102221392B

Abstract

本发明是一种基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法，该方法是在液体中固定一立柱，立柱中布置有光纤对线性阵列，各光纤对的两光纤之间有能够保证通光的窄缝，所有窄缝连通形成窄缝导槽，窄缝导槽中有磁性挡光板，浮在液面上的浮子中有永磁铁，永磁铁通过磁耦合驱动磁性挡光板沿窄缝导槽移动，从而调制光纤对的通光量，液面高度不同，不同光纤对的通光量被调制，通过检测光纤对通光情况即可知道液面位置。本发明中永磁铁密封在浮子内，所有光纤对和磁性挡光板密封在立柱内，与液体直接接触的只有浮子和立柱，因此只要针对被测液体选用相应的抗腐蚀材料制作浮子和立柱，就可用此方法对任何液体的液位进行测量。

Description

基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是一种利用磁耦合技术和光纤技术，结合特殊的结构对任何液体的液面位置进行监测的液位传感器。

背景技术

液位测量涉及到工农业生产、社会生活的方方面面。光纤液位传感器由于其本质安全，无电量进入测量现场，特别适合在诸如强电磁干扰、易燃、易爆等恶劣环境中的应用，因此研制光纤液位传感器是人们热衷的一个课题。

2009年公开的一项名称为“数字式绝对码光纤液位传感器”的发明专利（公开号：CN 101358870A），其中利用了光纤对阵列，光纤对阵列中每对光纤的端面严格对准，一根光纤发出的光能够耦合进另一根光纤中，多对光纤沿液体深度方向排列成线性阵列，与浮子连接的挡板遮挡光纤对两根光纤之间的光。浮子随液面浮动，挡板遮挡不同光纤对之间的耦合光，监测各光纤对的通光量，即可知道液面的位置。这一发明由于挡板、光纤固定座、光纤端面等都直接浸泡在液体中，所以不适合应用于腐蚀性强的液体测量。并且光纤对两光纤端面之间有液体，所以不能用于非透明液体的测量。另外，挡板、光纤固定座、光纤端面等直接与液体及空气接触，容易受到污染，这会在实际测量中遇到很多问题，如：光纤端面受污染，造成光不能通过；挡板和光纤固定座及凹槽积垢，造成挡板移动受阻等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法，以克服上述现有技术的不足。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的是一种基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法，该方法是在被测液体中固定一立柱，立柱中布置有光纤对，光纤对是由两根端面严格对准的光纤组成，光纤对的两端从立柱上方引出分别接光源和光探测器，所有光纤对沿立柱高度方向排列成光纤对线性阵列，光纤对的两根光纤对准端面之间有保证能够通光的窄缝，所有光纤对的窄缝连通形成窄缝导槽，窄缝导槽中有磁性挡光板，磁性挡光板能够全部或部分挡住一个或数个光纤对的通光量，随液面浮动的的浮子中有永磁铁，永磁铁通过磁耦合驱动磁性挡光板沿窄缝导槽移动，从而调制光纤对的通光量，液面高度不同，不同光纤对的通光量被调制，通过检测各光纤对的通光情况即可知道液面位置。

所述光纤对由立柱支撑，光纤对线性阵列高度大于被测液体最大深度。

所述立柱由聚四氟乙烯材料制成。

所述光纤对和磁性挡光板密封在立柱内部。

所述磁性挡光板由磁性材料制成，例如：可由冷轧无取向硅钢片、铁铝合金或铁镍合金等制成。

所述浮子由聚四氟乙烯材料制成。

所述永磁铁密封在浮子壳体内部。

所述磁性挡光板与永磁铁之间具有磁耦合作用。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一. 应用面广：由于将光纤对阵列和磁性挡板密封在立柱中，永磁铁密封在浮子中，这样只有立柱和浮子直接与液体接触，因此只要针对被测液体选用相应的抗被测液体腐蚀材料制作立柱和浮子，本发明就可以用于任何液体的液面位置测量，并且能够解决目前技术中液体对光纤端面及其它部件的污染给实际测量所带来的很多问题。

其二. 测量环境要求不高：由于采用光信号，无电量进入测量现场，传感器本质安全，适合应用于易燃易爆环境，并且抗电磁干扰；由于进行了密封，测量现场的粉尘、液体蒸汽、液体溅射等不影响测量。

其三. 测量精确可靠：虽然监测的是光强，但不需要知道光强的准确值，只需要知道光强扰动，这实际上是有和无的数字式测量，测量精度取决于光纤排列密度，从理论上讲，只要密布光纤，测量精度就可以达到0.1mm以上，这几乎可以满足所有的工程应用；另外，光强监测是对所有光纤对的透射光强进行比较，因此系统光源的不稳定，光纤连接损耗和走线弯曲损耗等都不影响测量，或者说通过参考所有光纤对的透射光强变化，可以很容易排除干扰。

附图说明

图1是基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法的立体图。

图2是图1的主视图。

图3是图1的侧视剖面图。

图中：1.立柱；2.光纤对； 3.窄缝导槽； 4.磁性挡光板； 5.浮子；6.永磁铁； 7.光源； 8.光探测器； 9.液面高度。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法，是通过制备相应的液位测量传感器来实现，该液位测量传感器的结构如图1所示：主要由立柱1，光纤对2，窄缝导槽3，磁性挡光板4，浮子5，永磁铁6，以及光源7和光探测器8组成。

所述立柱1用来支撑光纤对2，并将光纤对2和磁性挡光板4密封在立柱内部，使其与被测液体隔离。立柱采用聚四氟乙烯材料制成。立柱的形状和高度根据测量要求设计，但立柱高度必须大于窄缝导槽3的长度。

所述光纤对2由两根端面严格对准的光纤组成，所有光纤对2沿立柱高度方向排列成光纤对2线性阵列，排列间隔大小由所要求的测量精度来决定，光纤对2线性阵列高度必须大于被测液体深度。光纤对2的两根光纤对准端面之间留有小于一毫米的间隙，该间隙宽度也可以依据实际情况而定；所有光纤对2的间隙是连通的，沿立柱高度方向形成一条窄缝导槽3。根据实际应用要求，光纤对2的光纤可以用单模或多模石英光纤，或者用传能粗芯石英光纤，或者各种塑料光纤制成。

所述窄缝导槽3用于引导磁性挡光板4在光纤对的两光纤相对端面之间滑动。窄缝导槽3的宽度应尽可能地小（一般<1mm），以便光纤对2的两光纤之间能很好地进行光耦合，但同时又要保证磁性挡光板4能够沿窄缝导槽3自由滑动；窄缝导槽3的深度必须大于光纤直径，根据磁性挡光板4的材料、结构及加工工艺，窄缝导槽3的深度一般为1—5mm；窄缝导槽3的长度必须大于光纤对阵列的高度，约为光纤对2阵列高度加两倍磁性挡光板4长度。

所述磁性挡光板4用来遮挡光纤对2的两光纤之间的通光。磁性挡光板4能够与浮子5中的永磁铁6进行有效地耦合。磁性挡光板4的形状为长方形薄片，磁性挡光板的厚度稍小于窄缝导槽的缝宽，以保证磁性挡光板能够沿窄缝导槽3自由滑动；磁性挡光板4的宽度稍小于窄缝导槽3的深宽，以保证磁性挡光板能够沿窄缝导槽自由滑动；磁性挡光板4的长度可以考虑只遮挡一对光纤之间的光，也可以考虑遮挡多对光纤之间的光，这要根据测量要求来定。磁性挡光板4表面要比较光滑，具有一定的刚性，以保证磁性挡光板4能在窄缝导槽3中自由滑动。磁性挡光板4的材料一般可采用硅钢片，最好用冷轧无取向硅钢片，因为这种硅钢片表面比较光滑。也可采用铁铝合金或铁镍合金，铁铝合金比较轻，容易被带动；铁镍合金可以做得很薄。还可考虑非晶态合金，这种材料抗腐蚀特性好，机械强度高。

所述浮子5用于随液面浮动，感应液面位置。浮子5采用聚四氟乙烯材料制成。浮子5为中空壳体，其中装有永磁铁6，浮子5壳厚度越小越好，但要有足够的强度保证浮子5不变形。浮子5尺寸需要根据材料密度，永磁铁6尺寸和重量以及被测液体密度来进行设计，以保证浮子5能刚好浮在液面为准。

所述永磁铁6用于耦合磁性挡光板4，带动磁性挡光板4随浮子5移动。永磁铁6置入浮子5内部，其形状和尺寸将根据测量要求及所需磁场大小和分布并结合浮子5形状和尺寸来进行设计。

所述光源7用于将光耦合进光纤，光源可采用Led、Ld等加透镜耦合。

所述光探测器8用于接收光纤输出的光信号，并将光信号转换成电信号输出。光探测器可采用光敏电阻、光敏二极管、光电倍增管、感光芯片等加对应的电路及软硬件。

本发明提供的基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法，其工作过程是：光源7发出的的光耦合进光纤对2的一端，在窄缝导槽3处，耦合进光纤对2一端的光，从一根光纤耦合进另一根光纤，然后从光纤对2的另一端输出至光探测器8，光探测器8将光信号转换成电信号输出至后续仪表进行处理，实现对光纤对2通光量的检测。浮子5随液面高度9沿立柱1浮动，浮子5内的永磁铁6通过磁耦合带动磁性挡光板4移动，磁性挡光板4的移动调制光纤对2的通光量，液面高度不同，不同光纤对2的通光量被调制，通过检测光纤对2的通光情况就可以知道液位高度。

Claims

1. 一种液位测量方法，其特征是一种基于磁耦合和光纤对阵列的液位测量方法，该方法是在被测液体中固定一立柱（1），立柱（1）中布置有光纤对（2），光纤对（2）是由端面严格对准的两根光纤组成，光纤对（2）的两端从立柱（1）上方引出分别接光源（7）和光探测器（8），所有光纤对（2）沿立柱高度方向排列成光纤对（2）线性阵列，光纤对（2）两根光纤的对准端面之间有保证能够通光的窄缝，所有光纤对（2）的窄缝连通形成窄缝导槽（3），窄缝导槽（3）中有磁性挡光板（4），磁性挡光板（4）能够全部或部分遮挡一个或数个光纤对（2）的通光量，随液面浮动的的浮子（5）中有永磁铁（6），永磁铁（6）通过磁耦合驱动磁性挡光板（4）沿窄缝导槽（3）移动，从而调制光纤对（2）的通光量，液面高度不同，不同光纤对（2）的通光量被调制，通过检测各光纤对（2）的通光情况即可知道液面位置。

2. 根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征是光纤对（2）阵列和磁性挡光板（4）密封在立柱（1）的内部。

3. 根据权利要求1和2所述的液位测量方法，其特征是所述立柱（1）由聚四氟乙烯材料制成。

4. 根据权利要求1和2所述的液位测量方法，其特征是所述磁性挡光板（4）由磁性材料制成。

5. 根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征是所述永磁铁（6）密封在浮子（5）的内部。

6. 根据权利要求1和5所述的液位测量方法，其特征是所述浮子（5）由聚四氟乙烯材料制成。