CN105698900A - 激光高温液体高度测控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种激光高温液体高度测控系统，包括用于发射激光束的激光发射器和接收激光束的激光接收器，用于驱动激光发射器和激光接收器同步转动的驱动单元，用于分析电信号，并按照公式计算出高温液体的液面高度和变化速率以及发出预警信息的控制器，用于调控高温容器内高温液体液位的液位控制泵。本系统采用耐高温、耐干扰的激光束作为测量光源，能够在高温环境中实时测量高温液体的液面高度及液面高度升降速率变化，并对高温液体的液位高度进行实时调控。本发明还提供了一种激光高温液体高度测控方法，包括信号调零、液位测量和液位调控等步骤，克服目前检测方法算法复杂，检测精度不高等缺陷。

Description

激光高温液体高度测控系统及方法

技术领域

本发明涉及激光测控技术领域，具体涉及一种激光高温液体高度测控系统及控制方法。

背景技术

目前，非接触液体高度定位系统主要有如下几种：

(1)红外线高度定位系统：红外线测距的过程可简述为：装置内的红外二极管发射高频调制波，调制波到达障碍物后反射回装置，装置内的光敏二极管接收到返回的信号后进行电压转换，最终计算装置到液面的高度。但是由于红外线易受高温液体光线影响，造成测量数据变化大，精度达不到作业要求。

(2)超声波高度定位系统：超声波测距是通过测量超声波发射之后与超声波接触到障碍物后返回装置的时间差，再将其乘以超声波速度来测量发射端距离障碍物的距离，然后利用接触物与多个超声波发射端的距离经过三边或多边定位算法获知被测物体的高度信息。但是在高温环境下，超声波强度会大大衰减，甚至无法接收返回来的信号，造成测距失效。同时精度也无法满足作业要求。

(3)WIFI和蓝牙高度定位系统：WIFI和蓝牙测距的原理相同，均采用基于信号强度的测距方式。在其信号覆盖的区域内，设置若干个已知位置信息的节点，然后测量待测物体的信号强度，将待测物信号强度与已知节点的信号强度进行比对，通过换算模型即可大致估计液面高度。在高温下WIFI和蓝牙的信号衰减厉害，接收器无法接收信号完成测量任务。

上述的几种高度定位系统一旦应用到高温液体或者在高温环境中，检测的效果将会大打折扣，尤其无法应用到监测钢铁冶炼时高温熔融状态下的液面变化等极端高温的环境中。

近年来，激光技术发展迅速，已经被广泛应用于加工、测量、医疗、印刷等各领域，特别在物位测量方面，激光测量有着方向性好、发应快、非接触测量、耐高温、耐干扰等其他技术无法比拟的优势。

申请号为“CN201410213359.7”的中国专利申请公开了一种“测量单晶炉熔硅液面高度的装置与方法”，该方法采用激光双反射法测量熔硅液面高度，此方法需要配置一个复杂的图像传感器，而且需要通过复杂的图像处理算法去求得液面高度，并且不能计算实时的液面移动速率V，以便为控制液面高度提供参考，应用范围有限。申请号为“CN201510361972.8”的中国专利申请公开了一种“非接触式液位测量系统及方法”，该方法也只能实现检测容器内的液位高度，并不能实时计算容器内液面的移动速率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光高温液体高度测控系统，该系统采用耐高温、耐干扰的激光束作为测量光源，能够在高温环境中实时测量高温液体的液面高度及液面高度升降速率变化，并对高温液体的液位高度进行实时调控；本发明还提供了一种激光高温液体高度测控方法，克服目前检测方法算法复杂，检测精度不高等缺陷。

为实现上述技术方案，本发明提供的一种激光高温液体高度测控系统，包括：

位于待测液体液面上方且相对设置的激光发射器和激光接收器，激光接收器上与激光发射器正对端面设置有一接收激光束的面板，该面板的中部设置一个中点；

驱动单元，用于带动激光发射器和激光接收器同时转动；

控制器，该控制器用于接收激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离信号，当激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离不为零时，控制器控制驱动单元带动激光发射器和激光接收器同时运动；当激光束落在面板上形成的光斑与中点重合时，控制器计算出液面移动速率V和当前液面高度H1，具体计算公式如下：

T0时刻，将待测液体的液面加送至一个液面高度已知的M点，此时液面高度为H0，激光接收器旋转的角度为A°，在T1时刻时，液面上升或者下降至N点，此时液面高度为H1，激光接收器旋转的角度为B°，则液面移动速率V为：

$V=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}T}$

其中△S为液面上升高度，△T为时间差，△T＝T1-T0，其中

$\mathrm{\Δ}S=\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A)$

其中L为两电机间的距离；

液面高度H1计算公式为:

$H1=H0+\mathrm{\Δ}S=H0+\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A),$

T2时刻则以T1时刻的液位高度H1和激光接收器旋转的角度B°为已知值计算出此时的液位高度H2和V2，如此往复；

液位控制泵，用于接受控制器内发出的调控信号，实现高温容器内高温液体的液位控制，所述液位控制泵包括液体输出泵和液体输入泵，当控制器计算得到的液面移动速率V大于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制减少液体输入泵的流量或者增大液体输出泵的流量，以减少液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V小于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制增大液体输入泵的流量或者减少液体输出泵的流量，以增大液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V等于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制保持液体输入泵的流量和液体输出泵的流量；当控制器计算得到的当前液面高度H等于或者大于预设的液面高度阈值Ht时，控制器发布预警信息，液体输入泵关闭。

优选的，所述驱动单元为安装在激光发射器和激光接收器端部且用于控制激光发射器和激光接收器同步转动的伺服电机。

一种激光高温液体高度测控方法，包括以下步骤：

S1.激光发射器和激光接收器的信号调零：控制器发出指令使激光发射器产生特定频率的激光束，控制驱动单元使激光发射器和激光接收器成水平状态，使得激光发射器发射的激光束照射至激光接收器的面板中心，进行调零，调零完毕后记录当前的位置为零位置；

S2.高温液体液位测量：开启液体输送泵将待测液体的液面加送至一个液面高度已知的M点，此时液面高度已知为H0，关闭液体输送泵并开始加热，控制器控制驱动单元带动激光发射器和激光接收器同时转动，直至激光束照射至待测液体液面，判断反射的激光束是否落在激光接收器面板中心，如果“否”，驱动单元驱动激光发射器和激光接收器继续转动，直至反射的激光束移动到激光接收器面板中心，然后开启液体输入泵和液体输出泵，液面开始上升，控制器控制驱动单元带动激光发射器和激光接收器同时转动，直至反射的激光束移动到激光接收器面板中心，此时控制器根据驱动单元中电机的移动角度和移动速率计算高温液体的液面移动速率V和当前液面高度H1，具体计算公式如下，具体计算公式如下：

T0时刻，液面高度位于M点，此时已知液面高度为H0，激光接收器旋转的角度为A°，在T1时刻时，液面上升或者下降至N点，此时未知液面高度为H1，激光接收器旋转的角度为B°，则液面移动速率V为：

$V=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}T}$

其中△S为液面上升高度，△T为时间差，△T＝T1-T0，其中

$\mathrm{\Δ}S=\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A)$

其中L为两电机间的距离；

液面高度H1计算公式为:

$H1=H0+\mathrm{\Δ}S=H0+\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A),$

T2时刻则以T1时刻的液位高度H1和激光接收器旋转的角度B°为已知值计算出此时的液位高度H2和V2，如此往复；

S3.高温液体液位控制：控制器根据S2中测得的数据控制液体输出泵或者液体输入泵的流量大小，当控制器计算得到的液面移动速率V大于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制减少液体输入泵的流量或者增大液体输出泵的流量，以减少液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V小于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制增大液体输入泵的流量或者减少液体输出泵的流量，以增大液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V等于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制保持液体输入泵的流量和液体输出泵的流量；当控制器计算得到的当前液面高度H等于或者大于预设的液面高度阈值Ht时，控制器发布预警信息，液体输入泵关闭。

优选的，步骤S2中控制器根据激光束落在激光接收器面板上的位置为中间偏上或者偏下来控制驱动单元驱动激光发射器和激光接收器的同时向上或者向下转动。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：1)本激光高温液体高度测控系统能够在高温环境中实时测量高温液体的液面高度及液面高度升降速率变化，并对高温液体的液位高度进行实时调控；2)本系统可以应用到监测钢铁冶炼时极端高温熔融状态下的液面变化；3)本发明提供的激光高温液体高度测控方法，简化了检测算法，提高了检测精度。

附图说明

图1是本发明中激光高温液体高度测控系统的结构示意图。

图2是本发明中液位计算方法原理图。

图3是本发明中激光高温液体高度测控方法的步骤方框图。

图中：10、激光发射器；20、激光接收器；30、驱动单元，40、控制器；50、液位控制泵；60、高温容器；61、高温液体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例1：一种激光高温液体高度测控系统。

参照图1所示，一种激光高温液体高度测控系统，包括：位于待测液体液面上方且相对设置的激光发射器10和激光接收器20，此激光发射器10和激光接收器20关于容器内液面中心的法线方向对称设置，激光接收器20上与激光发射器10正对端面设置有一接收激光束的面板，该面板的中部设置一个中点，只有当激光发射器10发射出来的激光束反射至该面板中点，控制器才开始计算，否则会一直驱动激光发射器10改变激光发射角度；

驱动单元30，用于带动激光发射器10和激光接收器20同时转动，所述驱动单元30为安装在激光发射器10和激光接收器20末端同步运动的伺服电机，通过伺服电机的带动改变激光发射器10的激光发射角度，直到激光发射器10发射出来的激光束反射至该面板中点；

控制器40，所述控制器40为自带算法软件的工业计算机，该控制器40用于接收激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离信号，当激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离不为零时，控制器40控制驱动单元30带动激光发射器10和激光接收器20同时运动；当激光束落在面板上形成的光斑与中点重合时，控制器40计算出当前液面高度和液面变化速率，具体计算公式如下：

参照图2所示，T0时刻，将待测液体的液面加送至一个液面高度已知的M点，此时液面高度为H0，激光接收器旋转的角度为A°，在T1时刻时，液面上升或者下降至N点，此时液面高度为H1，激光接收器旋转的角度为B°，则液面移动速率V为：

$V=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}T}$

其中△S为液面上升高度，△T为时间差，△T＝T1-T0，其中

$\mathrm{\Δ}S=\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A)$

其中L为两电机间的距离；

液面高度H1计算公式为:

$H1=H0+\mathrm{\Δ}S=H0+\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A),$

T2时刻则以T1时刻的液位高度H1和激光接收器旋转的角度B°为已知值计算出此时的液位高度H2和V2，如此往复；

液位控制泵50，用于接受控制器40内发出的调控信号，实现高温容器60内高温液体61的液位控制，所述液位控制泵50包括液体输出泵和液体输入泵，当控制器40计算得到的液面移动速率V大于预设的移动速率阈值V0时，控制器40控制减少液体输入泵的流量或者增大液体输出泵的流量，以减少液面移动速率V；当控制器40计算得到的液面移动速率V小于预设的移动速率阈值V0时，控制器40控制增大液体输入泵的流量或者减少液体输出泵的流量，以增大液面移动速率V；当控制器40计算得到的液面移动速率V等于预设的移动速率阈值V0时，控制器40控制保持液体输入泵的流量和液体输出泵的流量；当控制器40计算得到的当前液面高度H等于或者大于预设的液面高度阈值Ht时，控制器40发布预警信息，液体输入泵关闭。

在上述技术方案中，激光发射器10的功能主要为接收控制器40信号并发射特定频率和功率的激光束；激光接收器20的功能主要是接收反射回来照射在面板上的激光束，并将光信号转换为电信号传回控制器40；控制器40的主要作用是分析激光接收器20上电信号的强度变化和驱动单元30反馈的电信号，并按照公式计算出高温液体的液面高度和变化速率以及发出预警信息，并控制液位控制泵的流量大小；驱动单元30的功能是接收计算机发出的信息，控制激光发射器10和激光接收器20的同步转动；液位控制泵50的功能主要是接收控制器40的调控指令，调控高温容器60内高温液体61的液位。

实施例2：一种激光高温液体高度测控方法。

参照图3所示，一种激光高温液体高度测控方法，包括以下步骤：

S1.激光发射器10和激光接收器20的信号调零：控制器40发出指令使激光发射器10产生特定频率的激光束，并控制驱动单元30使激光发射器10和激光接收器20成水平状态，使得激光发射器10发射的激光束照射至激光接收器20的面板中心，进行调零，调零完毕后记录当前的位置为零位置；

S2.高温液体液位测量：开启液体输送泵将待测液体的液面加送至一个液面高度已知的M点，此时液面已知高度为H0，关闭液体输送泵并开始加热，控制器40控制驱动单元30带动激光发射器10和激光接收器20同时转动，直至激光束照射至待测液体液面，判断反射的激光束是否落在激光接收器20面板中心，如果“否”，驱动单元30驱动激光发射器10和激光接收器20继续转动，直至反射的激光束移动到激光接收器20面板中心，然后开启液体输入泵和液体输出泵，液面开始上升，控制器40控制驱动单元30带动激光发射器10和激光接收器20同时转动，直至反射的激光束移动到激光接收器20面板中心，此时控制器10根据驱动单元30中电机的移动角度和移动速率计算高温液体的液面移动速率V和当前液面高度H1，具体计算公式如下：

T0时刻，液面高度位于M点，此时已知液面高度为H0，激光接收器旋转的角度为A°，在T1时刻时，液面上升或者下降至N点，此时未知液面高度为H1，激光接收器旋转的角度为B°，则液面移动速率V为：

$V=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}T}$

其中△S为液面上升高度，△T为时间差，△T＝T1-T0，其中

$\mathrm{\Δ}S=\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A)$

其中L为两电机间的距离；

液面高度H1计算公式为:

$H1=H0+\mathrm{\Δ}S=H0+\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A),$

T2时刻则以T1时刻的液位高度H1和激光接收器旋转的角度B°为已知值计算出此时的液位高度H2和V2，如此往复；

S3.高温液体液位控制：控制器40根据S2中测得的数据控制液体输出泵或者液体输入泵的流量大小，当控制器40计算得到的液面移动速率V大于预设的移动速率阈值V0时，控制器40控制减少液体输入泵的流量或者增大液体输出泵的流量，以减少液面移动速率V；当控制器40计算得到的液面移动速率V小于预设的移动速率阈值V0时，控制器40控制增大液体输入泵的流量或者减少液体输出泵的流量，以增大液面移动速率V；当控制器40计算得到的液面移动速率V等于预设的移动速率阈值V0时，控制器40控制保持液体输入泵的流量和液体输出泵的流量；当控制器40计算得到的当前液面高度H等于或者大于预设的液面高度阈值Ht时，控制器40发布预警信息，液体输入泵关闭。

本实施例中，步骤S2中控制器40根据激光束落在激光接收器20面板上的位置为中间偏上或者偏下来控制驱动单元30驱动激光发射器10和激光接收器20同时向上或者向下转动，当激光束落在激光接收器20面板的中心偏下时，控制器感应到激光束落在激光接收器20面板距离中心的位置，驱动激光发射器10和激光接收器20同时向下偏转，直到反射的激光束正好落在面板中心，控制器40则开始计算；当激光束落在激光接收器20面板的中心偏上时，控制器感应到激光束落在激光接收器20面板距离中心的位置，驱动激光发射器10和激光接收器20同时向上偏转，直到反射的激光束正好落在面板中心，控制器40则开始计算。

Claims (4)

1.一种激光高温液体高度测控系统，其特征在于包括：

位于待测液体液面上方且相对设置的激光发射器和激光接收器，激光接收器上与激光发射器正对端面设置有一接收激光束的面板，该面板的中部设置一个中点；

驱动单元，用于带动激光发射器和激光接收器同时转动；

控制器，该控制器用于接收激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离信号，当激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离不为零时，控制器控制驱动单元带动激光发射器和激光接收器同时运动；当激光束落在面板上形成的光斑与中点重合时，控制器计算出液面移动速率V和当前液面高度H1，具体计算公式如下：

T0时刻，将待测液体的液面加送至一个液面高度已知的M点，此时液面高度为H0，激光接收器旋转的角度为A°，在T1时刻时，液面上升或者下降至N点，此时液面高度为H1，激光接收器旋转的角度为B°，则液面移动速率V为：

$V=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}T}$

其中△S为液面上升高度，△T为时间差，△T＝T1-T0，其中

$\mathrm{\Δ}S=\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A)$

其中L为两电机间的距离；

液面高度H1计算公式为:

$H1=H0+\mathrm{\Δ}S=H0+\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A),$

T2时刻则以T1时刻的液位高度H1和激光接收器旋转的角度B°为已知值计算出此时的液位高度H2和V2，如此往复；

液位控制泵，所述液位控制泵包括液体输出泵和液体输入泵，当控制器计算得到的液面移动速率V大于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制减少液体输入泵的流量或者增大液体输出泵的流量，以减少液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V小于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制增大液体输入泵的流量或者减少液体输出泵的流量，以增大液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V等于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制保持液体输入泵的流量和液体输出泵的流量；当控制器计算得到的当前液面高度H等于或者大于预设的液面高度阈值Ht时，控制器发布预警信息，液体输入泵关闭。

2.如权利要求1所述的激光高温液体高度测控系统，其特征在于：所述驱动单元为安装在激光发射器和激光接收器端部且用于控制激光发射器和激光接收器同步转动的伺服电机。

3.一种激光高温液体高度测控方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.激光发射器和激光接收器的信号调零：控制器发出指令使激光发射器产生特定频率的激光束，控制驱动单元使激光发射器和激光接收器成水平状态，使得激光发射器发射的激光束照射至激光接收器的面板中心，进行调零，调零完毕后记录当前的位置为零位置；

S2.高温液体液位测量：开启液体输送泵将待测液体的液面加送至一个液面高度已知的M点，此时液面高度为H0，关闭液体输送泵并开始加热，控制器控制驱动单元带动激光发射器和激光接收器同时转动，直至激光束照射至待测液体液面，判断反射的激光束是否落在激光接收器面板中心，如果“否”，驱动单元驱动激光发射器和激光接收器继续转动，直至反射的激光束移动到激光接收器面板中心，然后开启液体输入泵和液体输出泵，液面开始上升，控制器控制驱动单元带动激光发射器和激光接收器同时转动，直至反射的激光束移动到激光接收器面板中心，此时控制器根据驱动单元中电机的移动角度和移动速率计算高温液体的液面移动速率V和当前液面高度H1，具体计算公式如下，具体计算公式如下：

T0时刻，液面高度位于M点，此时已知液面高度为H0，激光接收器旋转的角度为A°，在T1时刻时，液面上升或者下降至N点，此时未知液面高度为H1，激光接收器旋转的角度为B°，则液面移动速率V为：

$V=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}T}$

其中△S为液面上升高度，△T为时间差，△T＝T1-T0，其中

$\mathrm{\Δ}S=\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A)$

其中L为两电机间的距离；

液面高度H1计算公式为:

$H1=H0+\mathrm{\Δ}S=H0+\frac{1}{2}L*(\tan B-\tan A),$

T2时刻则以T1时刻的液位高度H1和激光接收器旋转的角度B°为已知值计算出此时的液位高度H2和V2，如此往复；

S3.高温液体液位控制：控制器根据S2中测得的数据控制液体输出泵或者液体输入泵的流量大小，当控制器计算得到的液面移动速率V大于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制减少液体输入泵的流量或者增大液体输出泵的流量，以减少液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V小于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制增大液体输入泵的流量或者减少液体输出泵的流量，以增大液面移动速率V；当控制器计算得到的液面移动速率V等于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制保持液体输入泵的流量和液体输出泵的流量；当控制器计算得到的当前液面高度H等于或者大于预设的液面高度阈值Ht时，控制器发布预警信息，液体输入泵关闭。

4.如权利要求3所述的激光高温液体高度测控方法，其特征在于：步骤S2中控制器根据激光束落在激光接收器面板上的位置为中间偏上或者偏下来控制驱动单元驱动激光发射器和激光接收器的同时向上或者向下转动。