CN102478418B - 一种结合激光干涉技术和自由态浮子测量液位的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明方法提出了一种高精度测量容器内液位的新方法。本发明方法通过利用激光干涉技术在长度测量上的高精度特性，结合漂浮在液体表面的自由态浮子反射装置进行液位的测量。通过基于本发明方法的实验装置对容器内全量程范围的均匀分散的不同液位进行测量，同时针对各个影响因素对激光干涉仪器的影响进行修正，并与对比液位计的示值进行比较，得出本发明方法的准确度能够达到0.1mm。通过本发明方法，不仅能够对实时地测量容器内的液位值，而且基于本发明方法的高精度特性，可以对目前各种类型的液位计进行准确度评价，这样不仅有助于广大用户进行液位计选型，定时标定液位计，而且能够推动各个液位计生产厂家提高自己的技术水平，为高精度液位计在油品交接过程中的推广奠定坚实的理论基础。

Description

一种结合激光干涉技术和自由态浮子测量液位的新方法

技术领域

本发明涉及一种高精度测量容器内介质液位的新方法，通过本方法能够对容器内介质的液位变化进行实时测量，并通过终端设备进行数字化显示。与其他液位测量方法相比，本方法对液位的测量可以达到0.1mm，特别适用于石油化工行业中储油罐用液位计的准确度检测。

背景技术

随着工业自动控制系统的不断发展和进步，能够实时地对容器(罐体、釜、塔等)液位或界面进行测量和监控的需求已经变得越来越迫切。目前测量容器液位进行的方法众多，测量原理也不尽相同。总体而言，根据测量液位时是否需要与测量介质相接触的部件，可以将液位测量方法分为接触式测量方法和非接触式测量方法。从测量方法的发展历程来看，液位测量方法正在逐渐向自动化、高精度、非接触式方向发展。人工检尺方式是较早出现的一种液位测量方法，这种方法通过用带有重锤的米制钢带卷尺或带有刻度的标尺测量，手工记录读数。这种测量方法由于需要人工进行液位值的读取，属于一种非自动的液位测量方法。随着机械技术的发展，出现了采用浮子和钢带相结合的方式来进行液位测量的方法。这种方法是根据力平衡原理来测量容器内的液位，通过平衡浮子自身重力和自身受到的浮力使浮子随液位上升下降，带动钢带运行，通过读取钢带上的刻度值得到最终的液位值。而随着伺服电机技术的飞速发展，采用伺服电机在浮子的驱动下进行液位测量的方法得到了越来越广泛的应用。这种液位测量方法主要通过一套智能的测量系统连续测量浮子的重量和浮力并控制伺服系统，最终在伺服电机的驱动下，由一体化变送器给出液位测量值。随着电磁理论的发展，出现了采用磁致伸缩原理进行液位测量的方法。这种方法是根据超声波在两个不同磁场相交产生磁致伸缩扭转效应，并根据产生的扭转波传输的时间和速度来进行液位的测量。

上述几种测量方法都属于接触式测量方法，由于这类方法具有与被测介质相接触的部件，故限制了这些方法不能用于腐蚀性介质。随着近些年来电磁波技术的发展，利用电磁波来对容器液位进行测量得到了快速的发展，由于这种类型的测量方法没有与被测介质相接触的部件，所以使用维护费用低。并且随着发射波频率的增加，这种液位测量方式的精度也逐渐提高。然而，上述任何一种液位测量方法由于在准确度、稳定性、量程及易受工作介质影响等方面的欠缺，都不能长时间的保持在一种高精度的状态，所以如何能够兼顾准确度和稳定性两方面因素，实现一种自动测量容器液位的新方法变得日益迫切。本发明方法的目的就是通过结合激光干涉技术和自由态浮子对容器内的液位值进行准确测量，并且可以长时间的处于高精度的稳定状态。

同时，伴随着石油化工行业的蓬勃发展，不同测量原理的液位计产品的应用也日趋广泛。但到目前为止，除了生产厂家提供的准确度数据外，还没有一个通用的解决方案能够给出各种液位计的准确度指标，而这也导致液位计应用行业在选择液位计品牌及型号时没有一个定量的参考标准。由于本发明方法的准确度高于目前任何一种液位计的准确度等级，所以本发明本方法能够提供一个测量标准来对不同的液位计进行评价，给出一个定量的准确度等级。

发明内容

本发明方法主要解决的技术问题是针对容器内液位的变化，设计一种能够实时、高精度进行液位测量的新方法。这种方法具有原理简单、操作方便、反应灵活等特点，综合应用了接触式测量方法中浮子对液位的准确反馈及电磁波测量方法的高精度和稳定性的优点。通过基于本发明方法的试验装置得出，本方法的准确度远远高于目前任何一种液位测量方法的准确度。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：通过利用激光干涉技术在长度测量上的精确性结合自由态浮子对容器内的液位进行测量。同时，对激光在传输过程中温度、压力、湿度等影响量进行修正，从而得出最终的液位值。

激光干涉技术是激光在计量领域中最成功的应用之一，是工业中最具权威的长度测量技术。基于激光干涉技术的激光产品具有信号噪声小，抗环境干扰能力强等技术特点。激光干涉技术是基于光波叠加原理，通过两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹的激光应用技术。在实际应用中，通过从激光光源发出的光束，经由分光镜分为两路即参考光束和测量光束，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来经分光镜形成一道干涉光束，如图1所示。在本发明方法中，采用全反射棱镜作为可动反射镜，通过全反射棱镜随液位的变化得到干涉光束，并计算与被测长度对应的多普勒频差得到干涉条纹数。根据干涉条纹的数量和公式1得出容器内液面与容器顶部间的空高数值，从而根据公式2计算出容器内液位的准确值。

L＝N*λ/2                (1)

其中N为干涉条纹数，λ为激光在测量时刻的波长值。

H_L＝H-H_A                 (2)

其中H为容器总高，H_A为通过激光干涉技术测得的空高值，H_L为容器内最终的液位值。

为了保证激光源发出的激光经全反射棱镜产生干涉条纹，必须确保全反射棱镜在垂直方向上随液位进行浮动外，水平方向的浮动范围在一定区域内，本发明方法通过采用将全反射棱镜固定在自由态浮子上进行实现。自由态浮子由内外两个浮子组成，如图3所示。其中全反射棱镜安装在内浮子上，为了确保装有全反射棱镜的内浮子既能在垂直方向上随液面进行升降，又能在水平方向上一定范围内进行浮动，从而保证产生干涉条纹，本发明方法将内浮子通过支杆方式将内浮子联动在外浮子上，而外浮子的两端通过吊耳固定在容器内部的导轨上进行实现。自由态浮子采用这种连接方式的目的主要有两个：一是确保内浮子与外浮子间保持一定的间距，减少容器内介质毛细作用对内浮子的影响。二是通过内外浮子的自由联动，从而保证内浮子随液面达到准自由态运动。

为了保证本发明方法能够实现对容器内液位高精度测量，需要测量过程中对影响本方法准确度的因素进行修正。由于容器内温度、气压和湿度对激光波长的影响，因此需要对通过本发明方法获得的液位值进行相应的修正。根据容器内介质的不同，实时地测量各个影响因素，并根据表1进行液位修正。

表1温度、压力、相对湿度对激光波长的影响

通过本发明方法测得的液位值，并按照表1进行相应的修正，可以得出容器内最终的液位值，如公式3所示。

H_L＝H-H_A+ΔH_T+ΔH_P+ΔH_R                            (3)

其中ΔH_T为温度修正高度，ΔH_P为气压修正高度，ΔH_R为相对湿度修正高度。

本发明方法具有高精度和高稳定性的特征，能够对容器内的液位变化进行实时高精度测量。同时能够对目前各种类型的液位计进行准确度评价。这样不仅有助于广大用户进行液位计选型，标定液位计，而且能够推动各个液位计生产厂家提高自己的技术水平，为高精度液位计在油品交接过程中的推广奠定坚实的理论基础。

附图说明

图1是激光干涉仪测量原理图。

图2是自由态浮子示意图。

图3是内浮子及全反射棱镜安装示意图。

图4是基于本发明方法的液位测量装置示意图。

具体实施方式

根据本发明方法，用如图4所示的装置进行测试。容器采用通用的立式金属储罐。基于本发明方法的液位测量装置主要包括双频激光干涉仪、固定在自由态浮子上的全反射棱镜、用于影响因素修正的温度变送器、压力变送器和湿度测量仪以及用于约束自由态浮子在垂直方向运动的高精度导轨四个组成部分，高精度导轨的两端分别固定在储罐的罐底板和罐顶板上。

首先，将激光干涉仪竖直安装在储罐顶部，保证激光头发出的激光束能够直接进入储罐内，通过储罐内固定在自由态浮子上的全反射棱镜进行激光束的反射，从而通过计算入射光和反射光产生的干涉条纹数，并根据公式1和公式2得出储罐的实时液位值。

为了反映基于本发明方法的液位测量装置的高精度优势，在储罐顶部安装一台高精度的液位计进行对比。通过控制系统改变储罐内介质的液位，并选取十个测量点进行液位值的读取。在每一个测量点液位稳定时，读取本装置的液位显示值和对比液位计的显示值。同时对各个影响因素测量仪表的值进行读取，用于后续的液位值修正，得出本装置的液位测量值，并与对比液位计测量出来的液位高度进行比较分析。

具体试验过程：

首先，调整对比液位计的零点。当本装置的激光干涉仪处于零点时，按照对比液位计的说明书的要求调整液位计的零点，从而保证二者能够基于相同的零点位置。

试验过程中，将基于本发明方法的液位测量装置得出的液位值与待检液位计显示的液位值进行对比的方式进行：调节储罐内介质的液位，使液位从零位开始逐渐升高到先前选取的测量点，直至上限；然后，逐渐降低液位到选取的各个测量点，直至下限。期间，待液位稳定后分别读取上下行程中各个测量点的本装置的数值和对比液位计的显示值。

最后，根据各个测量点所处的温度、气压及相对湿度信息对本装置的测量值根据公式3进行修正，从而得出本装置的最终液位测量值。

通过装置试验，在全量程范围内，采用本发明方法实现的液位检定装置的准确度是±0.1mm。

Claims (6)

1.一种采用激光干涉技术测量容器内液位的方法，其特征在于，包括采用激光干涉技术的仪器和安装反射镜的自由态浮子；

所述自由态浮子包括内浮子和外浮子；

外浮子的内壁上设置有支杆，内外浮子采用支杆方式进行连接，保证内浮子能够接近自由态运动，且通过支杆方式将内浮子联动在外浮子上，而外浮子的两端通过吊耳固定在容器内部的导轨上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具有发射激光束的激光头和接收反射光的探测器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具有根据干涉条纹数进行计算的计算单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：内浮子内安装用于反射激光束的反射镜。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：外浮子通过导轨约束装置限制自由态浮子的水平移动范围。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：内浮子采用抗腐蚀材料进行制造，外观由规则几何形体构成，并且重心位于几何形体的中轴线。