CN103759791B - 基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置、液体密度测量方法和倾斜角度测量方法，属于测量装置技术领域。它解决了现有技术所存在的液位计检定费时费力且精度不高等技术问题。它包括呈筒状的且底部设有进液管的导管组件，所述导管组件底部设有支撑盘，支撑盘上设有能测量导管组件内液体压力的压力式液位变送器，导管组件的顶部设有激光测距仪安装支架，导管组件内设有中空的浮子组件，所述激光测距仪安装支架上设有激光测距仪。本发明具有液位检测可靠性高、检测精度高且能检测液体密度和倾斜角度等优点。

Description

基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于测量装置技术领域，尤其是涉及一种基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置、液体密度测量方法和倾斜角度测量方法。

背景技术

液位计是工业过程测量和控制系统中用以指示和控制液位的仪表。目前，在工业应用中对液位的测量，几乎全部应用液位计，它的精准度直接关系到国家与企业的利益，因此对液位计精准度的要求日益提高。可是，目前对液位计的检定方式除了送相关计量所检定和人工检尺的方式外，很少能够对液位计进行准确的检定和校准。上述两种方法耗费时间和人力巨大，不利于经济的有效发展。因此急需一种能够便携式的液位测量装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置；解决了现有技术所存在的液位计检定费时费力且精度不高等技术问题。

本发明还提供了一种基于激光与压力相结合的液体密度测量方法，解决了现有技术的液位测量装置无法测量液体密度的技术问题。

本发明还提供了一种基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，解决了现有技术的液位测量装置无法不规则体倾斜角度的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置，包括呈筒状的且底部设有进液管的导管组件，所述导管组件底部设有支撑盘，其特征在于，支撑盘上设有能测量导管组件内液体压力的压力式液位变送器，导管组件的顶部设有激光测距仪安装支架，导管组件内设有中空的浮子组件，所述激光测距仪安装支架上设有激光测距仪，激光测距仪的激光发射线、导管组件的中心线和浮子组件的中心线重合。

在上述的基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置中，所述导管组件包括顶端开口底部封闭且呈筒状的导管本体，所述导管本体靠近底部的内壁设有能阻挡浮子组件的环形挡圈，导管本体的顶端与激光测距仪安装支架密封连接，导管本体的底部与支撑盘固定连接。

在上述的基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置中，所述导管本体包括依次密封连接的上导管、中导管和下导管，其中上导管和中导管两端开口，下导管上端开口下端封闭，所述下导管内壁设有能阻挡浮子组件的环形挡圈且下导管底部与支撑盘固定连接，上导管的顶端与激光测距仪安装支架密封连接。

在上述的基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置中，所述浮子组件包括中间为圆柱体两端为球面形的浮子本体，浮子本体内部为中空结构且浮子本体的圆柱体直径大于环形挡圈的内径。

在上述的基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置中，所述浮子本体的外壁设有与导管本体滚动连接的滚子机构，所述滚子机构包括沿浮子本体周向均匀设置的若干滚子。

在上述的基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置中，所述滚子机构有两个且沿浮子本体的轴向设置，每个滚子机构包括沿浮子本体周向均匀设置的四个滚子。

在上述的基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置中，所述支撑盘上并沿支撑盘的周向均匀设有四个与支撑盘和导管组件外壁固定连接的三角片，所述支撑盘上表面还设有两个相互垂直的能固定水平仪的水平仪槽，进液管与支撑盘上表面固连且与导管组件连通。

在上述的基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置中，所述支撑盘下表面还设有若干个能调节支撑盘高度的支脚，且该支脚沿支撑盘的轴向均匀设置。

一种基于激光与压力相结合的液体密度测量方法，用激光测距仪测得导管组件内的液位高度H，用压力式液位变送器测得导管组件内液体压力P，根据公式（I）计算得到液体密度ρ，其中g为重力加速度。

一种基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，用激光测距仪测得液体在导管组件内的长度S，用压力式液位变送器测得导管组件内液体压力P，根据公式（II）计算得到液位高度H，其中g为重力加速度，ρ为液体密度，再根据公式（III）计算得到导管组件的倾斜角度ξ。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1、采用激光测距仪与压力式液位变送器双标准器的方法，提高了检定结果的可信度，并且提出了两种测量方式相结合测未知液体的密度的方法；同时采用螺纹式连接方式将导管装置分段连接，使设备结构简化和小型化，能够方便的携带，以便对所需要的液位计进行现场检定；采用滚动方式的浮子结构设计，进一步提高了测量的可靠性和稳定性，减少测量误差；

2、本发明可以直接、方便地得到检定结果，并且可得知液体密度；

3、本发明能够快速测得船舱不规则腔体的角度以及液位，对快速监控整个船舱内的液体状态这一问题作出有效的解答，保证了船员们在海上的生命和财产安全。

附图说明

图1是本发明提供的结构示意图；

图2是本发明提供的内部结构示意图；

图3是本发明提供的浮子组件的结构示意图；

图4是本发明提供的浮子组件的内部结构示意图；

图5是本发明提供的工作示意图；

图6是本发明提供的不规则腔体倾斜角度测量的示意图；

图7是本发明提供的数据采集以及处理系统方框图；

图8是本发明提供的数据采集以及处理流程图。

图中，导管组件1、导管本体10、环形挡圈11、上导管12、中导管13、下导管14、支撑盘2、三角片21、水平仪槽22、支脚23、浮子组件3、浮子本体31、滚子机构32、滚子33、进液管101、压力式液位变送器102、激光测距仪安装支架103、激光测距仪104、储油罐200、储油罐液位计201、船舱300。

具体实施方式

如图1所示，一种基于激光与压力的便携式多功能液位测量装置，包括呈筒状的且底部设有进液管101的导管组件1，所述导管组件1底部设有支撑盘2，支撑盘2上设有能测量导管组件1内液体压力的压力式液位变送器102，导管组件1的顶部设有激光测距仪安装支架103，导管组件1内设有中空的浮子组件3，所述激光测距仪安装支架103上设有激光测距仪104，激光测距仪104的激光发射线、导管组件1的中心线和浮子组件3的中心线重合。激光测距技术作为现代光电技术热点，在众多领域已有成功应用，其中激光测距仪104已成为一种方便的距离测量仪器，由此，可以选用激光测距仪104作为装置的液位测量仪。但由于激光测量需要反射面满足一定的条件，所以在装置中加入滑动式浮子组件3，这样有利于减少浮子组件3与管道内壁的摩擦力，让浮子组件3能够准确的反应出液位，激光测距仪104只需检测出浮子组件3的位置，就能够计算得到液位值。由于检定性质的特殊性，还需要在装置底部加装一个压力式液位变送器102，由此作为一个次级表，用于反应激光测距仪104安装正确性。并且能够根据需要计算整体密度。

如图1、图2所示，导管组件1包括顶端开口底部封闭且呈筒状的导管本体10，所述导管本体10靠近底部的内壁设有能阻挡浮子组件3的环形挡圈11，导管本体10的顶端与激光测距仪安装支架103密封连接，导管本体10的底部与支撑盘2固定连接。

为了安装和携带方便，导管本体10可以设置成多段，在本实施例中，导管本体10包括依次用螺纹密封连接的上导管12、中导管13和下导管14，其中上导管12和中导管13两端开口，下导管14上端开口下端封闭，所述下导管14内壁设有能阻挡浮子组件3的环形挡圈11且下导管14底部与支撑盘2固定连接，上导管12的顶端与激光测距仪安装支架103密封连接。

如图3、图4所示，浮子组件3包括中间为圆柱体两端为球面形的浮子本体31，浮子本体31内部为中空结构且浮子本体31的圆柱体直径大于环形挡圈11的内径。环形挡圈11作为整个装置的零位置基准，它用于阻挡浮子组件3下落底部，以防止浮子本体31卡在导管本体10底部位置且使液体流动更有助于浮力的平稳体现。浮子本体31的外壁设有与导管本体10滚动连接的滚子机构32，所述滚子机构32包括沿浮子本体31周向均匀设置的若干滚子33。滚子33与导管本体10壁面相切。

作为一种优选的方案，在本实施例中，滚子机构32有两个且沿浮子本体31的轴向设置，每个滚子机构32包括沿浮子本体31周向均匀设置的四个滚子33。这样的结构既可确保浮子本体31与导管本体10内壁接触面积最小，摩擦小，运动灵活；又可以利用导管本体10内壁的横向约束能力，限制浮子本体31在液面上的横向运动，保证升降灵活性。浮子本体31内部为一个腔体，这样保证了浮子本体31具有足够的浮力。这种结构设计使得浮子本体31总是以上表面的垂直法线方向对准激光测距仪104的激光发射线，且满足激光测距仪104的激光接收器对激光反射强度要求；同时上表面不会附着大量液体而影响激光发射线的放射，有利于在液面变化剧烈的环境下测量。同时，滚动式的摩擦方式，使得浮子本体31紧贴导管本体10壁面上下浮动，避免浮子晃动，恒定摩擦力，提高反射可靠性。

支撑盘2上并沿支撑盘2的周向均匀设有四个与支撑盘2和导管组件1外壁固定连接的三角片21，所述支撑盘2上表面还设有两个相互垂直的能固定水平仪的水平仪槽22，两个垂直放置的水平仪槽22用于放置水平仪，检查装置是否水平，进液管101与支撑盘2上表面固连且与导管组件1连通。所述支撑盘2下表面还设有若干个能调节支撑盘2高度的支脚23，且该支脚沿支撑盘2的轴向均匀设置。支脚23用于整个装置的水平调节以及固定，作为一种优选的方案，所述支脚23有四个。

一种基于激光与压力相结合的液体密度测量方法，用激光测距仪104测得导管组件1内的液位高度H，用压力式液位变送器102测得导管组件1内液体压力P，根据公式（I）计算得到液体密度ρ，其中g为重力加速度。

一种基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，用激光测距仪104测得液体在导管组件1内的长度S，用压力式液位变送器102测得导管组件1内液体压力P，根据公式（II）计算得到液位高度H，其中g为重力加速度，ρ为液体密度，再根据公式（III）计算得到导管组件1的倾斜角度ξ。

本发明的工作原理如下：

如图5所示，其中的激光测距仪104主要用于测量激光测距仪距离浮子本体31反射面间的距离，由于浮子本体31可随液面变化，该距离可以反映出液面高度信息。实际液面高度可由下面公式计算而得：

H_sb=H_W-H_bw-H_jf-H_fs

激光测距仪104高度H_W是指激光测距仪104距离导管本体10底部距离；零位置基准高度H_bw是指零位置基准到导管本体10底部的距离；激光测距仪104测量距离H_jf表示的是激光测距仪104离浮子本体31反射面的距离；浮子本体31与液面高度差H_fs是浮子本体31激光反射面高于液面的高度。

压力式液位变送器102主要用于测量底部压力，由于压力随着液面的变化而变化，因此可以用此反应液面高度，根据下面公式可得实际液位值：

压力值P是指压力式液位变送器102所在位置所测得的压力值；液体密度ρ_Y是指导管本体10中液体已知的密度；重力加速度g为当地的重力加速度；压力式液位变送器102安装高度H_yw是指压力式液位变送器102基准点到导管本体10底部距离。

根据上述原理所述，本发明可根据激光方式测得H_sb,也可根据压力方式测得H_sb。根据实际情况，由于激光测距仪104的精度高于压力式液位变送器102，因此，将激光测距仪104作为本检定装置的主标准器，压力式液位变送器102作为次标准器。

在某些情况下，由于现场未知液体的密度，可能对压力式液位变送器102造成无法测量准确液位，因此，可利用本发明，对现场未知液体的密度进行检测，公式如下：

液体密度ρ_Y*是指现场未知液体的密度。

由于计量标准装置的特殊性，控制器应选用可靠性和稳定性好的产品，WAGO的小型PLC750-843将Ethernet现场总线适配器的功能及可编程序逻辑控制器的功能结合在一起，配有数字输出模块750-530、数字输入模块750-430、模拟输出模块750-552以及模拟输入模块750-452后能够很方便的实现对数据的采集和电磁阀的控制。计算机选用一般个人计算机，它能够通过Ethernet与WAGO750-843进行通信，以及它的运算处理速度足够满足我们对数据的采集与处理。电磁阀为被测液体输入管路的控制开关，为24VDC开关量控制。数据采集以及处理系统如图7所示，数据采集以及处理流程如图8所示。

如图5所示，将本装置安装于储油罐200外，且本装置的进液管101与储油罐200输出管道相连接。因此储油罐200内液体将进入导管组件1内，带动浮子组件3移动至相应液面位置，能够直接反应罐内液位。可根据上述工作原理中所述的方法，对储油罐液位计201进行检定或对储油罐200内未知液体密度进行测量。与传统的液位计检定装置相比，本装置可以直接、方便地得到检定结果，并且可得知液体密度，为节约人力、物力，提供了有效的方案。

如图6所示，将本装置置于不规则船舱300内，打开进液管101使本装置与船舱300内的液体连通，浮子将随着液体的流入慢慢上升至于与导管外液位相应位置。根据上述工作原理可得S与H，因此腔体壁面角度可由下式得到：

其中ξ为船舱300的壁面角度。此方法能够快速测得船舱不规则腔体的角度以及液位，对快速监控整个船舱内的液体状态这一问题作出有效的解答，保证了船员们在海上的生命和财产安全。

与现有液位计检定装置相比，本发明中采用激光测距仪104与压力式液位变送器102双标准器的方法，提高了检定结果的可信度，并且提出了两种测量方式相结合测未知液体的密度的方法；同时采用螺纹式连接方式将导管装置分段连接，使设备结构简化和小型化，能够方便的携带，以便对所需要的液位计进行现场检定；采用滚动方式的浮子结构设计，进一步提高了测量的可靠性和稳定性，减少测量误差。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了导管组件1、导管本体10、环形挡圈11、上导管12、中导管13、下导管14、支撑盘2、三角片21、水平仪槽22、支脚23、浮子组件3、浮子本体31、滚子机构32、滚子33、进液管101、压力式液位变送器102、激光测距仪安装支架103、激光测距仪104、储油罐200、储油罐液位计201、船舱300等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，用激光测距仪(104)测得液体在导管组件(1)内的长度S，用压力式液位变送器(102)测得导管组件(1)内液体压力P，根据公式(II)计算得到液位高度H，其中g为重力加速度，ρ为液体密度，再根据公式(III)计算得到导管组件(1)的倾斜角度ξ。

2.根据权利要求1所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，导管组件(1)呈筒状的且底部设有进液管(101)，所述导管组件(1)底部设有支撑盘(2)，支撑盘(2)上设有能测量导管组件(1)内液体压力的压力式液位变送器(102)，导管组件(1)的顶部设有激光测距仪安装支架(103)，导管组件(1)内设有中空的浮子组件(3)，所述激光测距仪安装支架(103)上设有激光测距仪(104)，激光测距仪(104)的激光发射线、导管组件(1)的中心线和浮子组件(3)的中心线重合。

3.根据权利要求2所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，所述导管组件(1)包括顶端开口底部封闭且呈筒状的导管本体(10)，所述导管本体(10)靠近底部的内壁设有能阻挡浮子组件(3)的环形挡圈(11)，导管本体(10)的顶端与激光测距仪安装支架(103)密封连接，导管本体(10)的底部与支撑盘(2)固定连接。

4.根据权利要求3所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，所述导管本体(10)包括依次密封连接的上导管(12)、中导管(13)和下导管(14)，其中上导管(12)和中导管(13)两端开口，下导管(14)上端开口下端封闭，所述下导管(14)内壁设有能阻挡浮子组件(3)的环形挡圈(11)且下导管(14)底部与支撑盘(2)固定连接，上导管(12)的顶端与激光测距仪安装支架(103)密封连接。

5.根据权利要求3或4所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，所述浮子组件(3)包括中间为圆柱体两端为球面形的浮子本体(31)，浮子本体(31)内部为中空结构且浮子本体(31)的圆柱体直径大于环形挡圈(11)的内径。

6.根据权利要求5所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，所述浮子本体(31)的外壁设有与导管本体(10)滚动连接的滚子机构(32)，所述滚子机构(32)包括沿浮子本体(31)周向均匀设置的若干滚子(33)。

7.根据权利要求6所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，所述滚子机构(32)有两个且沿浮子本体(31)的轴向设置，每个滚子机构(32)包括沿浮子本体(31)周向均匀设置的四个滚子(33)。

8.根据权利要求2或3或4所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，所述支撑盘(2)上并沿支撑盘(2)的周向均匀设有四个与支撑盘(2)和导管组件(1)外壁固定连接的三角片(21)，所述支撑盘(2)上表面还设有两个相互垂直的能固定水平仪的水平仪槽(22)，进液管(101)与支撑盘(2)上表面固连且与导管组件(1)连通。

9.根据权利要求2或3或4所述的基于激光与压力相结合的倾斜角度测量方法，其特征在于，所述支撑盘(2)下表面还设有若干个能调节支撑盘(2)高度的支脚(23)，且该支脚沿支撑盘(2)的轴向均匀设置。