CN103076065A - 一种用于检测液态金属液位的激光测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检测液态金属液位的激光测量装置，在封闭的液态金属储藏罐一侧第一玻璃窗位置刚性固定激光发射装置，激光发射装置包括激光器、扩束透镜、针孔滤波器、准直物镜和导轨，在液态金属储藏罐另一侧第二玻璃窗位置刚性固定激光反射接收装置，激光反射接收装置包括傅里叶变换透镜、CCD光电探测器，CCD探测的信号通过中端信号采集和处理部分进行数据采集，并传输到计算机。本发明涉及一种液态金属液位在线检测装置，用于小量程高精度要求的液态金属液位的检测，装置的报警系统可结合后端控制平台，通过调节阀保持液位在一恒定范围内，该装置测量精度高，不改变金属罐结构和内部稳压环境，可实现远距离测量和数字化显示。

Description

一种用于检测液态金属液位的激光测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测液态金属液位的激光测量装置，属于液态金属液位测量技术领域，例如特别适用于高温液态铅铋液位的测量，可实现在线检测，同时液位的数据采集满足实时处理与高速性兼具的要求。

背景技术

铅铋液态金属是ADS的首选靶材料和冷却剂，液态铅铋回路能够开展对铅铋关键科学技术问题的研究。铅铋液态金属液位测量的特点是：温度高、密度大、储藏罐密闭、严重腐蚀材料、测量精度要求高。

目前国内外常见的液位测量系统分为接触型和非接触型两种。接触型的如人工检尺、浮子式等，非接触型的有雷达式、超声波式等。与传统的浮子式，人工检尺法相比，雷达式、超声波式在技术含量和测量精度上都有着相当的优势，但由于价格和使用环境的限制，雷达式和超声波式的液位计在国内无法得到大规模地使用。针对铅铋储藏罐，雷达和超声波式液位计探头不容易安装和维修。国内目前使用最为广泛的液位计是人工检尺和浮子式的液位计，人工检尺对工人的操作要求较高，且在环境恶劣时，存在严重的安全隐患，本发明针对液态铅铋研制一套具有较高精度的激光液位测量装置。

目前的激光测量技术主要是利用激光测距，激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示：

D=ct/2

式中：D-测站点A、B两点间距离；c-光在大气中传播的速度；t-光往返A、B一次所需的时间。由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。

其中相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。脉冲式激光测距仪就是利用测量脉冲时间差来实现测距，国外的激光液位计中，就利用光束脉冲和指数脉冲的时间差来计算出液位的变化。与上述原理不同，本发明是一种新的测量方法，利用激光的光路以及几何关系测量液态金属液位。该装置适用于小量程高精度要求的液态金属液位的检测，装置的报警系统可结合后端控制平台，通过调节阀保持液位在一恒定范围内，所述液态金属是液态重金属铅铋，同时该装置也适用于其他反射率较高的金属。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，一种用于检测液态金属液位的激光测量装置提供了一种原理简单、操作简便、测量精度高的激光测量液位的方法。

本发明技术解决方案：一种用于检测液态金属液位的激光测量装置，包括液态金属储藏罐(1)、激光发射装置(2)、激光反射接收装置(3)、中端信号采集和处理部分(16)和计算机(11)；液态金属储藏罐(1)用来储藏液态金属(15)，金属储藏罐(1)的顶部通过上法兰(12)和下法兰(14)密封，上法兰和下法兰之间连接有螺钉(13)，在金属储藏罐(1)的两侧分别开两个窗体，分别是激光(6)光束入射的第一玻璃窗(4)和反射的第二玻璃窗(5)，第一玻璃窗(4)和第二玻璃窗(5)采用密封件密封；在封闭的液态金属罐(1)一侧第一玻璃窗(4)的位置刚性固定激光发射装置(2)，激光发射装置(2)包括激光器(2a)、扩束透镜(2b)、针孔滤波器(2c)、准直物镜(2d)、导轨(2e)；在液态金属储藏罐(1)的另一侧第二玻璃窗(5)的位置刚性固定激光反射接收装置(3)，激光反射接收装置(3)包括傅里叶变换透镜(3a)、CCD光电探测器(3b)；中端信号采集和处理部分(16)包括信号处理系统(16a)和无线传输系统(16b)，这两个系统配有相应的控制电路板和24V直流电源。信号处理系统(16a)以TMS2812DSP为核心，测量信号经滤波放大单元进行滤波和放大处理，然后连接至A/D转换单元将模拟信号转换至数字信号，以供TMS2812DSP分析处理。无线通信系统(16b)包括：信号处理单元、RS232串口模块、Zigbee收发模块。信号处理单元将相关数据记录、分析后由RS232串口模块传输至Zigbee收发模块，Zigbee收发模块将相关数据发送至连接在计算机(11)上的Zigbee收发模块，最终由计算机(11)读取相关实验数据。激光发射装置(2)发出的激光入射光(6)经过第一玻璃窗(4)进入液态金属罐(1)，经液态金属液面反射后通过第二玻璃窗(5)投射到激光反射接收装置(3)，激光反射接收装置(3)连接计算机(11)，经中端信号采集和处理部分(16)的信号处理系统(16a)光信号转换成数字信号，通过无线通信系统(16b)zigbee模块传送到计算机(11)，由计算机(11)数据处理后显示液位读数。通过激光接收装置(3)中线阵CCD探测器上光斑位置的变化，利用如下几何关系求解出液态金属液位变化：固定入射角α，第一铅铋液位(9)时，定义为激光液位计的基准线（零位），反射光束是第一反射光束(7)；液位上升到第二铅铋液位(10)时，反射光束为第二反射光束(8)，液位上升的值为Δh，两束光线反射点之间距离为l，CCD探测两束反射光的间距为Δx，有如下几何关系：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δh}}{l},$ $\sin \mathrm{\θ}=\sin 2\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δx}}{l};$

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\θ}}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin 2\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δx}}\⇒\mathrm{\Δh}=\mathrm{\Δx}\·\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin 2\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{2\cos \mathrm{\α}};$

通过关系式得到：

此时通过CCD测量两束反射光的间距Δx，即可显示液位升降的高度Δh。该装置用于高温液态金属环境，具有智能化特征，通过中端信号采集和处理部分(16)连接到计算机(11)，不仅能实现高精度的测量目标，还能准确得出液位升降的快慢,为其他仪表（如流量计）作标定。该装置适用于小量程高精度要求的液态金属液位的检测，装置的报警系统可结合后端控制平台，通过调节阀保持液位在一恒定范围内，所述液态金属是液态重金属铅铋，同时该装置也适用于其他反射率较高的金属。

本发明与现有技术相比有益效果及优点：

（1）针对现有接触式液位计难以满足液态铅铋500℃以上的高温进行精确测量，即便出现这样的测量探头，由于液态金属储藏罐需要严格的密闭，在金属储藏罐内的测量会影响金属储藏罐内的气压，无法满足金属储藏罐密闭的要求，而且接触式测量液位计在液态金属储藏罐内，不便于探头的安装和维修。由于液态重金属有污染性，金属储藏罐就必须要求严格密闭，加上液态铅铋等重金属温度高、密度大、严重腐蚀材料、测量精度高，一般液位计难以满足测量需求。本发明采用激光非接触测量方法，不改变液态金属罐结构和内部稳压环境，安装调整方便，结构紧凑，可远距离测量。

（2）相比于国外同类激光液位计，本发明在设计原理和关键装置上具有明显的区别和显著的优点。设计原理上，国外的激光液位计采用了激光测距的原理，即测量两束光的时间差，根据测量时间差的方法不同，又分为脉冲法和相位法。一般来说国外的激光液位计采用光束脉冲和指数脉冲的时间差，即脉冲法来测量。这在原理上与国外激光液位计不同。在关键的激光接收装置上，本发明采用线阵CCD来测量，这与脉冲法完全不同。本发明相比于国外同类激光液位计的优点有：结构简单、易于操作和安装、避免了脉冲信号产生的系统误差，抵消二次折射产生的折射误差。

（3）相比于浮子式液位计，该激光液位计避免了与高温腐蚀性强的铅铋液态金属直接接触，不会影响液态金属罐的内部环境（稳定炉温、炉压），满足测量环境的要求，实现远距离测控。

（4）相比于雷达和超声波液位计，无测量盲区的存在，精确度更高，同时避免了在液态金属罐中安装探头。

（5）检测精度高：液位测量精度达到1mm量级。实现在线检测以及数据采集，测、控、管一体化，满足实时处理与高速性兼具的要求，数据处理速度快。

（6）与计算机连接，实现智能化，有实时报警系统，安全性好。

（7）本发明适用范围广，不仅可以应用于液态铅铋液位的测量，也同样适用于其他普通高反射率金属液位的测量。

（8）针对铅铋回路实际工况，该液位计可以直接测量出液位差，协助完成流量计的标定工作。

附图说明

图1为本发明测量装置原理示意图；

图2为本发明激光发射装置示意图；

图3为本发明激光接收装置示意图；

图4为发明无线通信系统原理框图；

图5为本发明报警原理示意图；

图6为本发明中的CCD探测器接收反射光束的示意图；

图7为本发明中激光折射示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于检测液态金属液位的激光测量装置，包括液态金属罐1、激光发射装置2、激光反射接收装置3、中端信号采集和处理部分16和计算机11；液态金属储藏罐1用来储藏液态金属，在金属储藏罐1的两侧分别开两个窗体，分别是激光6光束的入射的第一玻璃窗4和反射的第二玻璃窗5，第一玻璃窗4和第二玻璃窗5采用密封件密封；在封闭的液态金属储藏罐1一侧第一玻璃窗4的位置刚性固定激光发射装置2，激光发射装置2包括激光器2a、扩束透镜2b、针孔滤波器2c、准直物镜2d、导轨2e，沿导轨2e方向依次放置激光器2a、扩束透镜2b、针孔滤波器2c、准直物镜2d；在液态金属储藏罐1的另一侧第二玻璃窗5的位置刚性固定激光反射接收装置3，激光反射接收装置3包括傅里叶变换透镜3a、CCD光电探测器3b，沿着导轨3c依次放置；激光发射装置2发出的激光入射光6经过第一玻璃窗4进入液态金属储藏罐1，经液态金属液面反射后通过第二玻璃窗5投射到激光反射接收装置3，激光反射接收装置3连接计算机11，经中端信号采集和处理部分16光信号转换成数字信号，通过无线通信zigbee模块传送到计算机11，由计算机11数据处理后显示液位读数，通过激光反射接收装置3中线阵CCD探测器3b上光斑位置的变化利用光路的几何关系求解出液态金属液位变化。计算机11作为人工操作和显示平台，接收中端信号发生和采集部分16发送的电信号进行处理,控制中端信号采集和处理部分16，通过调节阀控制液态金属的流量来控制液位的值维持在较稳定的状态，在这里不做为专利的内容阐述。

其中第一玻璃窗4和第二玻璃窗5采用能耐600℃的耐高温玻璃材料，在金属罐开孔处固定玻璃，玻璃两面均有密封件进行密封，可用于恶劣高温环境中。第一玻璃窗4安装在入射光一侧，高度可以为一定值，采用菱形设计，使得入射光6与第一玻璃窗4的上下表面平行入射；第二玻璃窗的高度要结合实际液位测量的量程来确定。

如图2所示，激光发射装置包括激光器2a、扩束透镜2b、针孔滤波器2c、准直物镜2d、导轨2e，首先调节激光器2a的光路：将氦氖激光管开启，辉光点燃，点亮光靶小灯泡，光靶的十字叉丝被照亮。在十字叉丝中间有一小孔，眼睛通过小孔，看到激光管的毛细管另一端，被谐振腔反射到眼睛中的一个“小白点”，除此之外，眼睛同时还看到被谐振腔反射回的光靶的十字叉丝像，此时调节谐振腔架后的两个螺丝，使十字叉丝完全落在小孔的正中间。这说明谐振腔与激光光管管内的毛细管完全垂直，应有激光射出。在导轨2e上调节激光准直后，激光通过第一玻璃窗4射入金属储藏罐1，金属储藏罐1内部光学通道部分为真空或惰性气体环境，其前端具有扩束透镜2b、针孔滤波器2c、准直物镜2d，其将激光发射装置发出的激光光束通过密封的玻璃窗口射到液态金属15表面.

如图3所示，激光接收装置3包括傅里叶变换透镜3a、CCD光电探测器3b,两部件放在同一导轨3c上，沿导轨3c依次放置。

如图4所示，本发明的中端信号采集和处理部分16包括信号处理系统16a和无线传输系统16b，这两个系统配有相应的控制电路板和24V直流电源。信号处理系统16a以TMS2812DSP为核心，测量信号经滤波放大单元进行滤波和放大处理，然后连接至A/D转换单元将模拟信号转换至数字信号，以供TMS2812DSP分析处理。无线通信系统16b包括：信号处理单元、RS232串口模块、Zigbee收发模块。信号处理单元将相关数据记录、分析后由RS232串口模块传输至Zigbee收发模块，Zigbee收发模块将相关数据发送至连接在计算机11上的Zigbee收发模块，最终由计算机11读取相关实验数据。所述无线传输系统16b以Zigbee无线传输模块为核心，信号处理系统16a的TMS2812DSP芯片将CCD的信号经RS232接口传输至Zigbee无线传输模块。

如图5所示，报警功能的实现通过计算机11控制LED显示报警状况：光束丢失、液面过高或者过低。当入射角度固定，该液位计的测量范围有限，随着液位的变化，反射光束会随之移动，当液位过高或过低时，会发生光束丢失的情况，这个时候检测装置一方面通过计算机11控制LED报警，另一方面通过控制算法调节金属罐内铅铋液位，从而使得液位达到稳定状态。光束丢失报警指示有下面一些原因:激光光束没有完全扫过CCD3b；激光发射装置2和激光反射接收装置3没有对齐；第一玻璃窗4和第二玻璃窗5太脏；激光反射接收装置3和电气柜之间的连接损坏；激光发射装置2没有打开；CCD3b失灵/没有对齐。如果产生光束丢失,计算机11将以光束丢失前最后一次的测量冻结输出。

如图6所示，本发明的测量过程如下：激光发射装置2产生激光6通过发射器以α角度射入到熔融金属液面，经过液面反射到激光反射接收装置3。在第一铅铋液位9时，定义为液位的基准线（零位），反射光束为第一反射光束7；液位上升到第二铅铋液位10时，反射光束为第二反射光束为8，液位上升的值为Δh。所述激光反射接收装置3的CCD3b接收第一反射光束7和第二反射光束8后，将光信号转变成电信号传送至计算机，得到第一反射光束7和第二反射光束8之间的间距为Δx，利用α容易得出Δx与Δh关系，测量出Δx值，便得到Δh。固定入射角α，第一铅铋液位9时，定义为激光液位计的基准线（零位），第一反射光束7；液位上升到第二铅铋液位10时，第二反射光束为8，液位上升的值为Δh，两束光线反射点之间距离为l。CCD探测两束反射光的间距为Δx，有如下几何关系：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δh}}{l},$ $\sin \mathrm{\θ}=\sin 2\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δx}}{l};$

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\θ}}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin 2\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δx}}\⇒\mathrm{\Δh}=\mathrm{\Δx}\·\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin 2\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{2\cos \mathrm{\α}};$

通过关系式得到：

此时α是固定入射角，即可通过CCD测量两束反射光的间距Δx，从而显示液位升降的高度Δh。

如图7所示，所述激光通过第一玻璃窗4后发生折射进入金属储藏罐1内，经过金属液面的反射之后，第一反射光束7和第二反射光束8是一对平行光束，经过第二玻璃窗5会再次发生折射，折射后光线仍是平行光束，而且考虑到玻璃和空气的折射率固定，第一反射光束7和第二反射光束8之间的距离在金属储藏罐1内外都是相同的。

激光测量装置是一种通过液态金属液面反射、连续测量、一种无污染危险的测量仪表。步骤如下：

（1）在金属储藏罐1第一玻璃窗4端刚性固定激光发射装置2，激光发射装置2包括激光器2a、扩束透镜2b、针孔滤波器2c、准直物镜2d、导轨2e；

（2）在金属储藏罐第二玻璃窗5端刚性固定激光接收装置3包括傅里叶变换透镜3a、CCD光电探测器3b、导轨3c；傅里叶变换透镜3a：由于激光光束穿过的空气温度从冷到热再到冷，存在自然差异，光点在过程容器出口会被扩大或扭曲。但这并不会影响测量的精度，因为透镜能将其在CCD3b上聚焦成一个完好的点；

（3）在光学部分安装调试完成以后，在计算机11内安装自动校准装置，将计算机辅助标定(CAC)整合到程序中，CAC用于补偿对于激光光束的温度波动、震动以及其他在安装位置可能存在的不良条件；

（4）根据入射光的角度和第二玻璃窗5的高度设定金属储藏罐1的液位阀值范围，超出域值，计算机11及时报警。

（5）标定零液位，校准后进行测量。

本发明可以应用于液态重金属（如铅铋）液位的测量，也同样适用于其他普通金属液位的测量。.

本发明装置实现了高温液态金属液位的非接触测量。它不仅可以用于普通的液态金属液位测量，还可以适用于具有真空度要求的压力容器中高温液态金属液位的精确测量以及具有腐蚀性液态金属的液位测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于检测液态金属液位的激光测量装置，其特征在于包括：液态金属储藏罐(1)、激光发射装置(2)、激光反射接收装置(3)、中端信号采集和处理部分(16)和计算机(11)；液态金属储藏罐(1)用来储藏液态金属，在金属储藏罐(1)的两侧分别开两个窗体，分别是激光(6)光束的入射的第一玻璃窗(4)和反射的第二玻璃窗(5)，第一玻璃窗(4)和第二玻璃窗(5)采用密封件密封；在封闭的液态金属罐(1)一侧第一玻璃窗(4)的位置刚性固定激光发射装置(2)，激光发射装置(2)包括激光器(2a)、扩束透镜(2b)、针孔滤波器(2c)、准直物镜(2d)、导轨(2e)；在液态金属储藏罐(1)的另一侧第二玻璃窗(5)的位置刚性固定激光反射接收装置(3)；激光反射接收装置(3)包括傅里叶变换透镜(3a)、CCD光电探测器(3b)；中端信号采集和处理部分(16)包括信号处理系统(16a)和无线传输系统(16b)，这两个系统配有相应的控制电路板和24V直流电源；信号处理系统(16a)以TMS2812DSP为核心，测量信号经滤波放大单元进行滤波和放大处理，然后连接至A/D转换单元将模拟信号转换至数字信号，以供TM4S2812DSP分析处理；无线通信系统(16b)包括：信号处理单元、RS232串口模块、Zigbee收发模块，与计算机(11)实现数据传输；激光发射装置(2)发出的激光入射光(6)经过第一玻璃窗(4)进入液态金属储藏罐(1)，经液态金属液面反射后通过第二玻璃窗(5)投射到激光反射接收装置(3)，激光反射接收装置(3)连接计算机(11)，经中端信号采集和处理部分(16)光信号转换成数字信号，通过无线通信zigbee模块传送到计算机，由计算机(11)数据处理后显示液位读数。该装置通过激光反射接收装置(3)中线阵CCD探测器上光斑位置的变化，利用如下几何关系求解出液态金属液位变化：固定入射角α，第一铅铋液位(9)时，定义为激光液位计的基准线即零位，反射光束是第一反射光束(7)；液位上升到第二铅铋液位(10)时，反射光束是第二反射光束(8)，液位上升的值为Δh，两束光线反射点之间距离为l，CCD探测两束反射光的间距为Δx，有如下几何关系：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δh}}{l},$ $\sin \mathrm{\θ}=\sin 2\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δx}}{l};$

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\θ}}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin 2\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δx}}\⇒\mathrm{\Δh}=\mathrm{\Δx}\·\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin 2\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{2\cos \mathrm{\α}};$

通过关系式得到：

此时通过CCD测量两束反射光的间距Δx，即可显示液位升降的高度Δh。

2.根据权利要求1所述的用于检测液态金属液位的激光测量装置，其特征在于：所述第一玻璃窗(4)和第二玻璃窗(5)采用能耐600℃的耐高温玻璃材料，在金属罐开孔处固定玻璃，玻璃两面均有密封件进行密封，可用于恶劣高温环境中。

3.根据权利要求1所述的用于检测液态金属液位的激光测量装置，其特征在于：所述液态金属是液态重金属铅铋，用于小量程高精度要求的液态金属液位的检测，同时该装置也适用于其他反射率较高的金属。

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