CN105865573B - 一种液位测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种液位测量装置，包括：液位探测部件，液位探测部件的截面为规则形状；与液位探测部件连接的测力模块，所述的测力模块所测量的拉力为力差记为F_i，则有F_浮＝F₀‑F_i；信号输入端与测力模块的信号输出端连接的计算模块，计算模块与数据存储模块连接；信号输出端与计算模块的信号输入端连接的第一标定模块和第二标定模块，第一标定模块用来标定空液位时所述的液位探测部件的重力F₀，第二标定模块用于标定液位探测部件处于高液位时所述的液位探测部件的重力与所受到的浮力之间的力差F_i标，并根据F₀和F_i标标定浮力F_浮标；与计算模块连接的用于显示数值的显示模块。本发明能够大大降低对环境的敏感性，测量时受环境的影响小，提高测量精度。

Description

一种液位测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于液体测量领域，涉及一种机械仪表和其使用方法，特别是涉及一种液位测量装置及其测量方法。

背景技术

现有的对容器内的液位高度的测量装置主要有压差式液位计，压差式液位计在使用时先测量容器底部的压强，利用压强和被测液体的比重反算出液位高度，相当于通过对容器底部的压力信号进行再处理再得到液位信号，甚至直接就是一台压力表现场指示，压差式液位计所使用的压力感知部分主要形式有以下几种：

a)膜片式：用一个充满液体的膜腔测压，使测压室和被测液体分开，测压测的是膜腔的压强，这就要求膜腔内的液体热膨胀系数很小，膜自身不能产生张力或张力可知，而且测压室必须和膜腔在同一高度，如果测压室高于或低于膜腔，充填液体会产生静压，造成测量偏差，因此这类传感器必须和测压室做成一体，其引出部分为信号电缆，在复杂的工作环境下，传感器的稳定性不高，影响测量的精度；

b)等压皮膜式：包括传感器和其上的引出线及与传感器相连接的通气管和法兰盘，传感器结构是一长方形腔体，有相互连接的传感器外壳、主夹板、副夹板，传感器两侧感压面通过主夹板、副夹板分别感受被测液面上方气压和液态介质内被测液位点处的压力，当被测介质的压力分别通入传感器高低压室的感压面时，两侧的感压面产生不相等的位移，其位移和压差成正比，通过传感器上引出线输出测量的压力信号，该方式对密封性能提出了很高的要求，受温度变化的影响也很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种液位测量装置及其测量方法，该液位测量装置及其测量方法能够大大降低对环境的敏感性，测量时受环境的影响小，提高测量精度。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的。一种液位测量装置，其特征在于，包括：

用于插入容器内的被测液体的液位探测部件，所述的液位探测部件的截面为规则形状，所述的液位探测部件的重力为F₀，所述的液位探测部件的截面积为S，高度为H；

与液位探测部件连接的测力模块，所述的测力模块所测量的拉力为所述的液位探测部件处于空液位时的重力F₀及该重力F₀与液位探测部件插入被测液体内任一液位高度时所受到的浮力F_浮之间的力差，该力差记为F_i，则有F_浮＝F₀-F_i；

信号输入端与测力模块的信号输出端连接的计算模块，所述的计算模块与数据存储模块连接；

信号输出端与计算模块的信号输入端连接的第一标定模块和第二标定模块，所述的第一标定模块用来标定空液位时所述的液位探测部件的重力F₀，第二标定模块用于标定液位探测部件处于高液位时所述的液位探测部件的重力与所受到的浮力之间的力差F_i标，并根据F₀和F_i标标定浮力F_浮标；

与所述的计算模块连接的用于显示数值的显示模块。

本发明一种液位测量装置技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：所述的液位探测部件为等径的圆柱形液位探测棒，所述的液位探测棒的长度大于被测液位的高度，所述的液位探测棒的下端用于浸入被测液体，液位探测棒的上端与拉线的下端连接，所述的拉线的上端与测力模块连接。

本发明一种液位测量装置技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：所述的拉线与测力模块之间设有带支点的杠杆，所述的杠杆的一端与所述的拉线的上端连接，所述的杠杆的另一端通过测力拉线与所述的测力模块连接。

本发明一种液位测量装置技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：所述的拉线的上端还与用于平衡液位探测棒的配重块连接，所述的配重块自然下垂。

本发明一种液位测量装置技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：当所述的配重块的重量大于所述的液位探测棒的重量时，所述的测力模块向下拉紧所述的杠杆的另一端。

本发明一种液位测量装置技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：当所述的配重块的重量小于所述的液位探测棒的重量时，所述的测力模块向上拉紧所述的杠杆的另一端。

本发明一种液位测量装置技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：还包括用于防止所述的液位探测棒倾斜的防护套，所述的防护套与所述的液位探测棒同轴设置。

本发明一种液位测量装置技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：还包括用于密封液位探测棒的防护套，包括上、下防护套，所述的上、下防护套通过水平的连接杆与所述的容器的侧壁连接。

本发明还公开了一种上述的液位测量装置的测量方法，其特点在于，包括如下的步骤：

(a)设置液位测量装置的系统参数：通过第一标定模块标定空液位时所述的液位探测部件的重力F_O，然后将所述的液位探测部件的重力F_O、所述的探测部件的截面积S及高度为H的数值输入数据存储模块内存储；

(b)将液位探测部件移到已知任一液位高度的A点，记录A点的液位高度值H_A，再通过测力模块测量拉力值F_A，通过第二标定模块将A点所在的液位高度值H_A和测力模块测得的拉力值F_A输入数据存储器；

(c)标定液位测量装置的深浮比参数K：

根据阿基米德定律，浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力，浮力公式有：

F_浮＝ρ.g.S.H_i (1)，

整理可得液位探测部件插入被测液体内的任一液位高度的求取公式：

H_i＝F_浮/(ρ.g.S)， (2)，

其中，ρ为被测液体的密度，g为液位测量地的重力加速度，S为液位探测部件的截面积，H_i为液位探测部件插入被测液体的任一液位高度；

令ρ.g.S＝1/K，K为系统的深浮比参数，则(2)式可变为：H_i＝K.F_浮，则有K＝H_i/F_浮(3)，

将公式F_浮＝F_O-F_i代入(3)式，可得K＝H_i/(F_O-F_i) (4)；

将已知液位高度的A点的液位高度值H_A和拉力值F_A代入(4)式，可得

K_A＝H_A/(F_O-F_A)，当ρ.g.S不变时，K_A为常数值，将K_A值输入数据存储器，高为深浮比参数K，标定完毕；

(d)由式(3)变形可得液位高度的公式，

H_i＝K.F_浮＝K(F₀-F_i) (5)

将步骤(c)中所得的常数K、最低液位时用第一标定模块标定的F₀和测力模块实时检测到的拉力F_i代入(5)式，通过计算模块计算出液位高度。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：本发明通过液位探测棒、拉线、测力模块和计算模块有机地组合在一起构成了一种液位测量装置，由于采用了上述的结构，本发明装置的电子模块如测力模块和计算模块均与被测液体相隔离，作为液体浮力传感器的液位探测部件对环境和被测液体的性质不敏感，受环境的影响小，保证测量精度，而且还具有造价低廉，适应性强，维护方便等优点，特别适合污水、酸碱盐强氧化性等腐蚀性液体、高温液体、液体化学原料储罐等的液位检测。

附图说明

图1为本发明的实施例结构示意图；

图2为本发明带杠杆的实施例的结构示意图；

图3为本发明带配重块的结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成其权力的限制。

实施例1，参照图1-3，一种液位测量装置，包括：

用于插入容器内的被测液体的液位探测部件，所述的液位探测部件可以选用密度大于被测液体密度的材料，也可以选用密度小于测液体密度的材料，但需要在液位探测部件的底部或内部悬设置足以下沉的重物，所述的液位探测部件的截面为规则形状，所述的液位探测部件的重力为F₀，所述的液位探测部件的截面积为S，高度为H；

与液位探测部件连接的测力模块，所述的测力模块所测量的拉力为所述的液位探测部件处于空液位时的重力F₀及该重力F₀与液位探测部件插入被测液体内任一液位高度时所受到的浮力F_浮之间的力差，该力差记为F_i，则有F_浮＝F₀-F_i；

信号输入端与测力模块的信号输出端连接的计算模块，所述的计算模块与数据存储模块连接；

信号输出端与计算模块的信号输入端连接的第一标定模块和第二标定模块，所述的第一标定模块和第二标定模块分别用于标定液位探测部件处于高液位及低液位时所述的液位探测部件的重力F₀与所受到的浮力之间的力差；

与所述的计算模块连接的用于显示数值的显示模块。显示模块可以用显示屏3。

上述的空液位是指液位探测部件未插入被测液体时的位置。

实施例2，如图2所示，实施例1所述的一种液位测量装置中，该容器可以为如腐蚀性液体、高温液体、液体化学原料储罐等，该液位探测部件可以为等径的圆柱形的液位探测棒2，所述的液位探测棒2的长度大于被测液位的高度，所述的液位探测棒2的下端用于浸入被测液体6，液位探测棒2的上端与拉线24的下端连接，所述的拉线24的上端可以绕过滑轮5与测力模块31连接，也可以直接与测力模块31连接，所述的测力模块31用于测量所述的液位探测棒2的重力及液位探测棒2处于工作状态时的重力与所受到的浮力之间的力差；所述的测力模块31的信号输出端与计算模块33的信号输入端连接，计算模块33的信号端还与数据存储模块34连接，所述的计算模块33用于计算所述的液位探测棒2的所受到的浮力。通过将位探测部件设置为等径的圆柱形位探测棒2，能很好地符合理论计算，便于就地取材，抗水流冲击能力强，多数情况不需要约束装置。

实施例3，上述的实施例所述的液位测量装置中：所述的拉线24与测力模块31之间设有带支点的杠杆4，所述的杠杆4的一端与所述的拉线24的上端连接，所述的杠杆4的另一端通过测力拉线51与所述的测力模块31连接。设置杠杆4，可以使液位探测棒2、杠杆4和测力模块31形成力矩，再通过调整杠杆支点的位置可以调整测力模块31的测量范围，如将支点向液位探测棒2移动，可以增加测力模块31的测量范围，若将支点向测力模块31侧移动，则可以减少测力模块31的测量范围，可以适用于检测部件的浮力变化非常小的微型系统，提高测量精度。

实施例4，实施例1所述的液位测量装置中：所述的拉线24的上端还与用于平衡液位探测棒2的配重块7连接，所述的配重块7自然下垂。设置配重块7可以将液位探测部件的总重量平衡到到接近于零，可以只测量浮力而基本上消除系统重量的影响。配重块7可以为配重砝码。

实施例5，实施例1所述的液位测量装置中：当所述的配重块7的重量大于所述的液位探测棒2的重量时，所述的测力模块31向下拉紧所述的杠杆4的另一端。

实施例6，实施例1所述的液位测量装置中：当所述的配重块7的重量小于所述的液位探测棒2的重量时，所述的测力模块31向上拉紧所述的杠杆4的另一端。

实施例7，实施例1所述的液位测量装置中：还包括用于防止所述的液位探测棒2倾斜的防护套，所述的防护套与所述的位探测棒同轴设置。通过设置防护套，可以防止液位探测棒2在液位变化过程中或水流冲击下发生倾覆、倾斜、漂移的情况，消除这些可能对测量结果产生不利影响的因素，提高测量精度。

实施例8，实施例1所述的液位测量装置中：还包括用于密封液位探测棒2的防护套，包括上防护套23和下防护套21，所述的上、下防护套通过水平的连接杆22与所述的容器1的侧壁连接。

实施例9，实施例1所述的液位测量装置中：所述的液位探测部件为若干首尾连接的串珠或若干首尾相接的柱体，串珠只要每个单元是均匀的且每个单元都一样，误差不会累加，且不会超过一个单元的连接段长度。每个珠距要相等，珠子要一样大小，各个珠子的比重可以不相等，一般地要求比重要大于水(能保证上浮时不堆积，比重也可以小于水)，要有护套管。串珠式的好处是容易标准化，易于维护检修，长度好调整，好包装运输，没有干扰时，自动呈垂直状，不会产生倾斜，可以作为浮力传感器的标准形式。

实施例10，本发明还公开了上述的液位测量装置的测量方法，包括如下的步骤：

(a)设置液位测量装置的系统参数：通过第一标定模块标定空液位时所述的液位探测部件的重力F₀，然后将所述的液位探测部件的重力F₀、所述的探测部件的截面积S及高度为H的数值输入数据存储模块内存储；

(b)将液位探测部件移到已知任一液位高度的A点，记录A点的液位高度值H_A，再通过测力模块测量拉力值F_A，通过第二标定模块将A点所在的液位高度值H_A和测力模块测得的拉力值F_A输入数据存储器；

(c)标定液位测量装置的深浮比参数K：

根据阿基米德定律，浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力，所以液位探测棒2插没入被测液体内所受到的浮力为其排开的液体的重力，其公式可记为：

F_浮＝ρ.g.S.H_i (1)，

整理可得液位探测部件插入被测液体内的任一液位高度的求取公式：

H_i＝F_浮/(ρ.g.S)， (2)，

其中，ρ为被测液体的密度，ρ的单位为kg/m³；g为液位测量地的重力加速度，单位为m/m²；S为液位探测棒的截面积，单位为m²；H_i为液位探测棒没入液体的长度，也为被测液体的液位高度，H_i的单位为m；

令ρ.g.S＝1/K，则(2)式可变为：H_i＝K.F_浮，则有K＝H_i/F_浮 (3)，

将公式F_浮＝F₀-F_i代入(3)式，可得K＝H_i/(F₀-F_i) (4)；

将已知液位高度的A点的液位高度值H_A和拉力值F_A代入(4)式，可得

K_A＝H_A/(F₀-F_A)，K_A为常数值，将K_A值输入数据存储器，深浮比参数K标定完毕；

K是和ρ、g和S有关的特性参数，仅与被测液体的密度、当地的重力加速度以及液位探测棒的截面积有关，我们在这里将它称为：深浮比参数，其量纲是s²/Kg，也就是深度与浮力之比的意思，这个值可以由上述的计算步骤来确定；

(d)由将步骤(c)中所得的常数K_A代入(2)式，可得液位高度的公式：H_i＝K_A.F_浮＝K_A(F₀-F_i) (5)，将该公式输入计算模块；

再将液位探测部件插入所述的容器的底面，通过测力模块实时检测其所受到的拉力F_i，测力模块将该拉力数据传输到计算模块，如果液位探测棒的位置没有变化，没入深度H_i就是液位高度，在测力部件测量时造成的位移误差可接受时，可以不作修正，这样可以由计算模块通过公式(5)计算出液位高度。

上述的实施例中，测力模块可以选用DAYSENSOR微型方S型称重传感器，还可以选用现有技术中其他可以用来测力的电子器件，液位探测棒的长度和直径可以根据实际需要选择，本发明的液位测量装置还包括标定按钮36，输出模块如用于发送数字液位信号的无线模块、液位开关量输出端32；供电模块35、保护外壳、安装固定件和标识：CCC、LOGO、型号及二维码。

输入/出模块：可与一供电模块共用一个miniUSB电源口，可同时传输数据；

供电模块：可与一输入/出模块共用一个miniUSB电源口，可同时传输数据。

保护外壳及安装固定件，根据线路板布局、使用场合防护等级等因素综合考虑。

Claims (1)

1.一种采用液位测量装置进行液位测量的方法，其特征在于，采用的液位测量装置包括：

用于插入容器内的被测液体的液位探测部件，所述的液位探测部件的截面为规则形状，所述的液位探测部件的重力为F0，所述的液位探测部件的截面积为S，高度为H；

与液位探测部件连接的测力模块，所述的测力模块所测量的拉力为所述的液位探测部件处于空液位时的重力F0及该重力F0与液位探测部件插入被测液体内任一液位高度时所受到的浮力F浮之间的力差，该力差记为Fi，则有F浮＝F0-Fi；

信号输入端与测力模块的信号输出端连接的计算模块，所述的计算模块与数据存储模块连接；

信号输出端与计算模块的信号输入端连接的第一标定模块和第二标定模块，所述的第一标定模块用来标定空液位时所述的液位探测部件的重力F 0，第二标定模块用于标定液位探测部件处于高液位时所述的液位探测部件的重力与所受到的浮力之间的力差Fi标，并根据F0和Fi标标定浮力F浮标；

与所述的计算模块连接的用于显示数值的显示模块；

所述的液位探测部件为等径的圆柱形液位探测棒，所述的液位探测棒的长度大于被测液位的高度，所述的液位探测棒的下端用于浸入被测液体，液位探测棒的上端与拉线的下端连接，所述的拉线的上端与测力模块连接；

所述的拉线与测力模块之间设有带支点的杠杆，所述的杠杆的一端与所述的拉线的上端连接，所述的杠杆的另一端通过测力拉线与所述的测力模块连接；

所述的拉线的上端还和用于平衡液位探测棒的配重块连接，所述的配重块自然下垂；

当所述的配重块的重量大于所述的液位探测棒的重量时，所述的测力模块向下拉紧所述的杠杆的另一端；当所述的配重块的重量小于所述的液位探测棒的重量时，所述的测力模块向上拉紧所述的杠杆的另一端；

所述的液位测量装置还包括用于防止所述的液位探测棒倾斜的防护套，所述的防护套与所述的液位探测棒同轴设置；还包括用于密封液位探测棒的防护套，包括上、下防护套，所述的上、下防护套通过水平的连接杆与所述的容器的侧壁连接；

采用该液位测量装置的测量方法步骤如下：

(a)设置液位测量装置的系统参数：通过第一标定模块标定空液位时所述的液位探测部件的重力F0，然后将所述的液位探测部件的重力F0、所述的探测部件的截面积S及高度为H的数值输入数据存储模块内存储；

(b)将液位探测部件移到已知任一液位高度的A点，记录A点的液位高度值HA，再通过测力模块测量拉力值FA，通过第二标定模块将A点所在的液位高度值HA和测力模块测得的拉力值FA输入数据存储器；

(c)标定液位测量装置的深浮比参数K：

根据阿基米德定律，浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力，浮力公式有：

F浮＝ρ.g.S.Hi 　　　(1)，

整理可得液位探测部件插入被测液体内的任一液位高度的求取公式：

Hi＝F浮/(ρ.g.S)　　　 (2)，

其中，ρ为被测液体的密度，g为液位测量地的重力加速度，S为液位探测部件的截面积，Hi为液位探测部件插入被测液体的任一液位高度；

令ρ.g.S＝1/K，K为系统的深浮比参数，则(2)式可变为：Hi＝K.F浮，则有

K＝H i/F浮　　 (3)，

将公式F浮＝F0-Fi代入(3)式，可得

K＝Hi/(F0-Fi) 　　(4)；

将已知液位高度的A点的液位高度值H A和拉力值FA代入(4)式，可得KA＝HA/(F0-FA)，当ρ.g.S不变时，KA为常数值，将KA值输入数据存储器，高为深浮比参数K，标定完毕；

(d)由式(3)变形可得液位高度的公式，

H i＝K.F浮＝K(F0-Fi)　　 (5)；

将步骤(c)中所得的常数K、最低液位时用第一标定模块标定的F0和测力模块实时检测到的拉力Fi代入(5)式，通过计算模块计算出液位高度。

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