CN107389158A - 一种液位变化的检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本技术方案提供了一种液位变化的检测系统，其中，竖管的管底低于液面，竖管的管口高于液面，浮子的直径小于竖管的内直径，浮子置于竖管内，浮于液面上，齿条安装在滑轨上，齿条一端与浮子连接，齿条可在竖直方向上沿滑轨滑动，齿轮组的输入侧与齿条啮合，当齿轮组中的齿轮转动时，齿轮组的输入侧的角速度小于齿轮组输出侧的角速度，输入齿轮与输出侧啮合，采集装置用于采集输入齿轮的转动信息，支架用于保持齿轮组、输入齿轮、滑轨及采集装置的相对位置，处理器用于基于转动信息计算液面的液位变化值。通过齿轮组将液位的微小变化放大，使液位变化情况易于识别及采集，实现了对液位微小变化的检测，提高了液位变化检测的精度。

Description

一种液位变化的检测系统及方法
技术领域
本发明涉及液位检测技术领域，具体地说，涉及一种液位变化的检测系统及方法。
背景技术
液位变化检测是指用一定的方法对液位高度发生的变化进行测量。液位变化检测可用于连通管位移检测方法中，如大坝变形检测、桥梁的挠度检测等。
目前液位检测大致可分为非接触式和接触式两种方法。在接触式的液位检测系统中，一是采用浮子式液位计，浮子式液位计属于机械装置，成本低，但目前达不到高精度，不能实现液位微小变化的检测。二是采用压阻式液位变送器对液位进行检测，这种检测系统是依据液面下某处的压强与其到液面的距离成正比关系的原理设计的，但是，目前没有对液位微小变化时压强的微小变化进行准确测量的方法，压阻式液位变送器也不能实现液位微小变化的检测。
因此，如何实现对液位微小变化的检测成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种液位变化的检测系统，通过齿轮组将液位的微小变化放大，使液位变化情况易于识别及采集，实现了对液位微小变化的检测，提高了液位变化检测的精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种液位变化的检测系统，所述系统包括处理器、连通管、浮子、齿条、滑轨、齿轮组、输入齿轮、采集装置及支架，其中：
所述连通管包括竖管，所述竖管的管底低于液面，所述竖管的管口高于液面；
所述浮子的直径小于所述竖管的内直径，所述浮子置于所述竖管内，浮于液面上；
所述齿条安装在所述滑轨上，所述齿条一端与所述浮子连接，所述齿条可在竖直方向上沿所述滑轨滑动；
所述齿轮组的输入侧与所述齿条啮合，当所述齿轮组中的齿轮转动时，所述齿轮组的输入侧的角速度小于所述齿轮组输出侧的角速度；
所述输入齿轮与所述输出侧啮合；
所述采集装置用于采集所述输入齿轮的转动信息；
所述支架分别与所述齿轮组、所述输入齿轮、所述滑轨及所述采集装置连接，所述支架用于保持所述齿轮组、所述输入齿轮、所述滑轨及所述采集装置的相对位置；
所述处理器与所述采集装置连接，所述处理器用于基于所述转动信息计算液面的液位变化值。
优选地，所述齿轮组包括第一双联齿轮及第二双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一小齿轮及第一大齿轮，所述第二双联齿轮包括第二小齿轮及第二大齿轮，所述第一小齿轮与所述齿条啮合，所述第二小齿轮与所述第一大齿轮啮合，所述第二大齿轮与所述输入齿轮啮合。
优选地，所述第一双联齿轮与所述第二双联齿轮相同，所述输入齿轮与所述第一小齿轮及所述第二小齿轮相同。
优选地，所述采集装置包括角度传感器，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮连接，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮的齿轮轴同轴，所述角速度传感器用于采集所述输入齿轮的角度变化信息。
优选地，所述采集装置包括点激光发射器、激光屏及图像采集装置，所述点激光发射器安装在所述输入齿轮的齿轮轴上，所述点激光发射器水平时垂直朝向所述激光屏，所述图像采集装置与所述处理器连接，所述图像采集装置用于采集所述激光屏上的光斑的位移信息。
优选地，所述系统还包括用户端，所述用户端与所述处理器连接。
一种液位变化的检测方法，所述方法采用如权利要求1所述的检测系统进行检测，所述方法包括：
接收所述采集装置发送的所述输入齿轮的转动信息；
调用液位变化值算法；
基于所述液位变化值算法计算所述转动信息生成液位变化值。
优选地，所述齿轮组包括第一双联齿轮及第二双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一小齿轮及第一大齿轮，所述第二双联齿轮包括第二小齿轮及第二大齿轮，所述第一小齿轮与所述齿条啮合，所述第二小齿轮与所述第一大齿轮啮合，所述第二大齿轮与所述输入齿轮啮合，所述第一双联齿轮与所述第二双联齿轮相同，所述输入齿轮与所述第一小齿轮及所述第二小齿轮相同，所述采集装置包括角度传感器，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮连接，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮的齿轮轴同轴，所述角速度传感器用于采集所述输入齿轮的角度变化信息，所述液位变化值算法为其中Δθ为所述输入齿轮转动的角度，dl为第一小齿轮的直径，db为第一大齿轮的直径，H为所述液位变化值。
优选地，所述齿轮组包括第一双联齿轮及第二双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一小齿轮及第一大齿轮，所述第二双联齿轮包括第二小齿轮及第二大齿轮，所述第一小齿轮与所述齿条啮合，所述第二小齿轮与所述第一大齿轮啮合，所述第二大齿轮与所述输入齿轮啮合，所述第一双联齿轮与所述第二双联齿轮相同，所述输入齿轮与所述第一小齿轮及所述第二小齿轮相同，所述采集装置包括点激光发射器、激光屏及图像采集装置，所述点激光发射器安装在所述输入齿轮的齿轮轴上，所述点激光发射器水平时垂直朝向所述激光屏，所述图像采集装置用于采集所述激光屏上的光斑的位移信息，所述液位变化值算法为其中s为所述激光屏到所述点激光发射器的水平距离，h为光斑在所述激光屏上的位移，dl为第一小齿轮的直径，db为第一大齿轮的直径，H为所述液位变化值。
优选地，所述系统还包括用户端，所述方法还包括控制所述用户端显示所述液位变化值。
综上所述，本技术方案提供了一种液位变化的检测系统，其中，竖管的管底低于液面，竖管的管口高于液面，浮子的直径小于竖管的内直径，浮子置于竖管内，浮于液面上，齿条安装在滑轨上，齿条一端与浮子连接，齿条可在竖直方向上沿滑轨滑动，齿轮组的输入侧与齿条啮合，当齿轮组中的齿轮转动时，齿轮组的输入侧的角速度小于齿轮组输出侧的角速度，输入齿轮与输出侧啮合，采集装置用于采集输入齿轮的转动信息，支架用于保持齿轮组、输入齿轮、滑轨及采集装置的相对位置，处理器用于基于转动信息计算液面的液位变化值。通过齿轮组将液位的微小变化放大，使液位变化情况易于识别及采集，实现了对液位微小变化的检测，提高了液位变化检测的精度。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种液位变化的检测系统的结构示意图；
图2为本发明公开的另一种液位变化的检测系统的结构示意图；
图3位本发明公开的一种液位变化的检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明公开的一种液位变化的检测系统的结构示意图，所述系统包括处理器8、连通管、浮子2、齿条15、滑轨5、齿轮组3、输入齿轮4、采集装置及支架7，其中：
连通管包括竖管1，竖管1的管底低于液面，竖管1的管口高于液面，连通管与需要检测液位变化的目标液体连通，由连通器原理可知，只需测竖管1内液面的液位变化即可测得目标液体的液位变化；
浮子2的直径小于竖管1的内直径，浮子2在竖管1内与液面贴合，浮子2不与竖管1的内壁接触，从而保证浮子2与竖管1间无摩擦力，避免影响检测结果；
齿条15安装在滑轨5上，齿条15一端与浮子2连接，齿条15可在竖直方向上相对于滑轨5滑动，因齿条15一端与浮子2连接，且齿条15安装在滑轨5上，滑轨5与支架7连接，因此可通过固定齿条15与竖管1的相对位置保证浮子2不与竖管1的内壁接触，因此齿条15与浮子2中心连接为宜；
齿轮组3的输入侧与齿条15啮合，当齿轮组3中的齿轮转动时，齿轮组3的输入侧的角速度小于齿轮组3输出侧的角速度，因此，齿轮组3的输入侧可实现将液位变化转化为齿轮的角度转动，且这个角度转动通过齿轮组3放大，因此可实现对液位微小变化的检测；
输入齿轮4与输出侧啮合；
采集装置用于采集输入齿轮4的转动信息，采集装置是可以采集输入齿轮4转动的角度的装置；
处理器8与采集装置连接，处理器8用于基于转动信息计算液面的液位变化值，处理器8与采集装置的连接可以是有限连接也可以是无线连接，一个处理器8还可以与多个采集装置连接，实现同时检测多个地方的液位变化。
支架7分别与齿轮组3、输入齿轮4、滑轨5及采集装置连接，支架7用于保持齿轮组3、输入齿轮4、滑轨5及采集装置的相对位置，通过确定支架7与竖管1的相对位置以及确定支架7与齿轮组3、输入齿轮4、滑轨5及采集装置连接的位置，支架7可以实现以下功能：保持滑轨5垂直，从而保证齿条15垂直，保证浮子2不与竖管1内壁接触，保证齿条15与齿轮组3啮合，保证齿轮组3与输入齿轮4啮合，保证采集装置可以采集到输入齿轮4的转动信息。
当液位发生变化上述装置的工作原理为，浮子2随液位的变化发生位移，齿条15将位移传送到齿轮组3，齿轮组3将位移转换为齿轮转动的角度并对转动的角度进行放大，输入齿轮4将转动的角度传递给采集装置，采集装置将齿轮转动的角度转换为电信号发送至处理器8，处理器8通过此电信号计算出液位的变化值。
综上所述，本技术方案提供了一种液位变化的检测系统，其中，竖管1的管底低于液面，竖管1的管口高于液面，浮子2的直径小于竖管1的内直径，浮子2不与竖管1的内壁接触，齿条15安装在滑轨5上，齿条15一端与浮子2连接，齿条15可在竖直方向上相对于滑轨5滑动，齿轮组3的输入侧与齿条15啮合，当齿轮组3中的齿轮转动时，齿轮组3的输入侧的角速度小于齿轮组3输出侧的角速度，输入齿轮4与输出侧啮合，采集装置用于采集输入齿轮4的转动信息，支架7用于保持齿轮组3、输入齿轮4、滑轨5及采集装置的相对位置，处理器8用于基于转动信息计算液面的液位变化值。通过齿轮组3将液位的微小变化放大，使液位变化情况易于识别及采集，实现了对液位微小变化的检测，提高了液位变化检测的精度。
为进一步优化上述技术方案，齿轮组3包括第一双联齿轮31及第二双联齿轮32，第一双联齿轮31包括第一小齿轮312及第一大齿轮311，第二双联齿轮32包括第二小齿轮322及第二大齿轮321，第一小齿轮312与齿条15啮合，第二小齿轮322与第一大齿轮311啮合，第二大齿轮321与输入齿轮4啮合，虽然齿轮组3中双联齿轮的数量越多，齿轮转动角度的放大比例就越大，但齿轮的啮合存在间隙，出于误差及制造成本的综合考虑，齿轮组3包括两个双联齿轮为宜。此外，第一双联齿轮31与第二双联齿轮32采用相同的齿轮，输入齿轮4与第一小齿轮312及第二小齿轮322相同也比分别设计及制造不同的第一双联齿轮31、第二双联齿轮32及输入齿轮4的成本要低，且通过齿轮的角度变化计算液位变化的过程也更加简单。
采集装置有两种采集方式，如图1所示，采集装置包括角度传感器6，角度传感器6的输入端与输入齿轮4连接，角度传感器6的输入端与输入齿轮4的齿轮轴同轴，角速度传感器用于采集输入齿轮4的角度变化信息。
为进一步优化本技术方案，上述系统还可以包括用户端9，用户端9与处理器8连接。用户端9可以为电脑、移动终端或扩音器等电子设备，处理器8可以控制电脑或移动终端显示液位变化值，也可以控制扩音器对液位变化信息进行播报。
在制造齿条15时，可以选择铟钢，铟钢的热膨胀系数比较小，在-20℃至40℃的范围内，热膨胀系数为1.6x10-6/℃，常温下可以看作不受温度影响。此外，由于是对液面微小变化的检测，若齿条15较长，则齿条15的重量较大，会产生较大的误差，所以齿条15的长度不宜过长，一般在200mm至250mm之间。
如图2所示，为本发明在上述技术方案的基础上公开的另一种液位变化检测系统的结构示意图，采集装置包括点激光发射器10、激光屏12及图像采集装置11，点激光发射器10安装在输入齿轮的齿轮轴上，点激光发射器10水平时垂直朝向激光屏12，图像采集装置11与处理器连接，图像采集装置11用于采集激光屏12上的光斑的位移信息。在本实施例中，可将激光发射器水平时光斑在激光屏12上的位置设为初始位置。
如图3所示，为本发明公开的一种液位变化的检测方法的流程图，本方法应用于上述检测系统，包括以下步骤：
S101、接收采集装置发送的输入齿轮的转动信息；
齿轮组将液位变化转化为齿轮转动的角度并将转动的角度放大传递至输入齿轮，采集装置采集输入齿轮转动的角度，即输入齿轮的转动信息。
S102、调用液位变化值算法；
基于采集装置的不同，采集到的转动信息也有所不同，因此需要调用与采集装置相对应的液位变化值算法。
S103、基于液位变化值算法计算转动信息生成液位变化值；
指的一提的是，输入齿轮的转动信息除了包括转动的角度以外，还应包括转动的方向，从而才可以判断出液位是上升还是下降。
为进一步优化上述技术方案，齿轮组包括第一双联齿轮及第二双联齿轮，第一双联齿轮包括第一小齿轮及第一大齿轮，第二双联齿轮包括第二小齿轮及第二大齿轮，第一小齿轮与齿条啮合，第二小齿轮与第一大齿轮啮合，第二大齿轮与输入齿轮啮合，虽然齿轮组中双联齿轮的数量越多，齿轮转动角度的放大比例就越大，但齿轮的啮合存在间隙，出于误差及制造成本的综合考虑，齿轮组包括两个双联齿轮为宜。此外，第一双联齿轮与第二双联齿轮采用相同的齿轮，输入齿轮与第一小齿轮及第二小齿轮相同也比分别设计及制造不同的第一双联齿轮、第二双联齿轮及输入齿轮的成本要低，且通过齿轮的角度变化计算液位变化的过程也更加简单。此外采集装置包括角度传感器，角度传感器的输入端与输入齿轮连接，角度传感器的输入端与输入齿轮的齿轮轴同轴，角速度传感器用于采集输入齿轮的角度变化信息，液位变化值算法为其中Δθ为输入齿轮转动的角度，dl为第一小齿轮的直径，为第db一大齿轮的直径，H为液位变化值。
下面举例对上述液位变化算法进行说明，假设角度传感器顺时针转动所测得角度为正，逆时针转动所测得角度为负；初始值为0，表示液位未发生变化。
液位上升时，角度传感器将发生顺时针转动。假设液面上升Humm，由于浮子与液面贴合，浮子和齿条与液面的运动完全相同，齿条也会相对于滑轨向上运动Humm。齿条运动带动齿轮组及输入齿轮转动，设第一小齿轮转动的弧长为l1，第一大齿轮转动的弧长为l2，第二小齿轮转动的弧长为l3，第二大齿轮转动的弧长为l4，由弧长公式可知及θ表示弧长对应的角度、dl为第一小齿轮的直径，为第db一大齿轮的直径；由于第一小齿轮与齿条啮合，第二小齿轮与第一大齿轮啮合，第二大齿轮与输入齿轮啮合，所述l1＝Humm、l2＝l3且l5＝l4，、l5表示输入齿轮转动的弧长，由上述公式可知：Δθ为输入齿轮转动的角度，Δθ可直接由角度传感器测得。在本发明中，齿轮的直径指的是齿轮的齿根圆的直径。
液位的下降与上升的区别在于角度传感器由顺时针转动变为逆时针转动，其算法是相同的。因为本发明提供的检测系统其检测精度高因此，在计算液位变化时，可以保留四位小数。例如，dl＝20mm、db＝40mm，Δθ＝1°，角度传感器顺时针转动，则若要领用本发明公开的检测方法对液位变化进行定期检测，可每过一段预设时间将角度传感器清零。
采集装置除采用角度传感器外，采集装置可为点激光发射器、激光屏及图像采集装置，点激光发射器安装在输入齿轮的齿轮轴上，点激光发射器水平时垂直朝向激光屏，图像采集装置与处理器连接，图像采集装置用于采集激光屏上的光斑的位移信息。在本技术方案，可将激光发射器水平时光斑在激光屏上的位置设为初始位置。液位变化值算法为其中s为激光屏到点激光发射器的水平距离，h为光斑在上述激光屏上的位移，dl为第一小齿轮的直径，db为第一大齿轮的直径，H为液位变化值。
为进一步优化本技术方案，上述系统还可以包括用户端，上述方法还包括控制用户端显示液位变化值。用户端可以为电脑、移动终端或扩音器等电子设备，处理器可以控制电脑或移动终端显示液位变化值，也可以控制扩音器对液位变化信息进行播报。
在使用本方法检测液位变化时，为避免温度变化造成误差，可使用两套检测系统，一套用于检测目标液面的液位变化，一套用于检测对照液面的液位变化(对照液面可为一装有定量液体的容器的液面)，将目标液面的液位变化值减去对照液面的液位变化值，即可去除因温度造成的误差。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种液位变化的检测系统，其特征在于，所述系统包括处理器、连通管、浮子、齿条、滑轨、齿轮组、输入齿轮、采集装置及支架，其中：
所述连通管包括竖管，所述竖管的管底低于液面，所述竖管的管口高于液面；
所述浮子的直径小于所述竖管的内直径，所述浮子置于所述竖管内，浮于液面上；
所述齿条安装在所述滑轨上，所述齿条一端与所述浮子连接，所述齿条可在竖直方向上沿所述滑轨滑动；
所述齿轮组的输入侧与所述齿条啮合，当所述齿轮组中的齿轮转动时，所述齿轮组的输入侧的角速度小于所述齿轮组输出侧的角速度；
所述输入齿轮与所述输出侧啮合；
所述采集装置用于采集所述输入齿轮的转动信息；
所述支架分别与所述齿轮组、所述输入齿轮、所述滑轨及所述采集装置连接，所述支架用于保持所述齿轮组、所述输入齿轮、所述滑轨及所述采集装置的相对位置；
所述处理器与所述采集装置连接，所述处理器用于基于所述转动信息计算液面的液位变化值。
2.如权利要求1所述的液位变化的检测系统，其特征在于，所述齿轮组包括第一双联齿轮及第二双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一小齿轮及第一大齿轮，所述第二双联齿轮包括第二小齿轮及第二大齿轮，所述第一小齿轮与所述齿条啮合，所述第二小齿轮与所述第一大齿轮啮合，所述第二大齿轮与所述输入齿轮啮合。
3.如权利要求2所述的液位变化的检测系统，其特征在于，所述第一双联齿轮与所述第二双联齿轮相同，所述输入齿轮与所述第一小齿轮及所述第二小齿轮相同。
4.如权利要求3所述的液位变化的检测系统，其特征在于，所述采集装置包括角度传感器，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮连接，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮的齿轮轴同轴，所述角速度传感器用于采集所述输入齿轮的角度变化信息。
5.如权利要求3所述的液位变化的检测系统，其特征在于，所述采集装置包括点激光发射器、激光屏及图像采集装置，所述点激光发射器安装在所述输入齿轮的齿轮轴上，所述点激光发射器水平时垂直朝向所述激光屏，所述图像采集装置与所述处理器连接，所述图像采集装置用于采集所述激光屏上的光斑的位移信息。
6.如权利要求1-5所述的液位变化的检测系统，其特征在于，所述系统还包括用户端，所述用户端与所述处理器连接。
7.一种液位变化的检测方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述的检测系统进行检测，所述方法包括：
接收所述采集装置发送的所述输入齿轮的转动信息；
调用液位变化值算法；
基于所述液位变化值算法计算所述转动信息生成液位变化值。
8.如权利要求7所述的液位变化的检测方法，其特征在于，所述齿轮组包括第一双联齿轮及第二双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一小齿轮及第一大齿轮，所述第二双联齿轮包括第二小齿轮及第二大齿轮，所述第一小齿轮与所述齿条啮合，所述第二小齿轮与所述第一大齿轮啮合，所述第二大齿轮与所述输入齿轮啮合，所述第一双联齿轮与所述第二双联齿轮相同，所述输入齿轮与所述第一小齿轮及所述第二小齿轮相同，所述采集装置包括角度传感器，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮连接，所述角度传感器的输入端与所述输入齿轮的齿轮轴同轴，所述角速度传感器用于采集所述输入齿轮的角度变化信息，所述液位变化值算法为其中Δθ为所述输入齿轮转动的角度，dl为第一小齿轮的直径，db为第一大齿轮的直径，H为所述液位变化值。
9.如权利要求7所述的液位变化的检测方法，其特征在于，所述齿轮组包括第一双联齿轮及第二双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一小齿轮及第一大齿轮，所述第二双联齿轮包括第二小齿轮及第二大齿轮，所述第一小齿轮与所述齿条啮合，所述第二小齿轮与所述第一大齿轮啮合，所述第二大齿轮与所述输入齿轮啮合，所述第一双联齿轮与所述第二双联齿轮相同，所述输入齿轮与所述第一小齿轮及所述第二小齿轮相同，所述采集装置包括点激光发射器、激光屏及图像采集装置，所述点激光发射器安装在所述输入齿轮的齿轮轴上，所述点激光发射器水平时垂直朝向所述激光屏，所述图像采集装置用于采集所述激光屏上的光斑的位移信息，所述液位变化值算法为其中s为所述激光屏到所述点激光发射器的水平距离，h为光斑在所述激光屏上的位移，dl为第一小齿轮的直径，db为第一大齿轮的直径，H为所述液位变化值。
10.如权利要求7-9任一项所述的液位变化的检测方法，其特征在于，所述系统还包括用户端，所述方法还包括控制所述用户端显示所述液位变化值。
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