CN108072426A - 感应件故障时、分离液层层高测量法和其浮球液位变送器 - Google Patents
感应件故障时、分离液层层高测量法和其浮球液位变送器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明申请提供了一种浮球液位变送器，其测量电路的液位感应单元为若干等值电阻串联的电阻串路，各干簧管等间距排布在管筒内电路板上，测量电路的测控单元为包含恒流源和A/D转换器的测量控制单元，电阻串路的两端与恒流源输出端前端可选择切换的两连接端口连接，并与A/D转换器一输入端前端可选择切换的两采集端口连接，各干簧管的并联节点端一路连接至A/D转换器另一输入端，另一路连接有作为A/D转换器基准电压的基准阻值分压电路。本技术方案弥补了浮球式液位测量装置不具有分离层介质工况的分层测量能力的技术缺陷，还具有在出现干簧管损坏时也不影响测量的技术优点，产品性能增强、可靠性提高。
Description
技术领域
本专利申请涉及液位变送器，尤其涉及浮球式液位变送器。
背景技术
液位测量装置中应用最为广泛的是浮球液位变送器，其基本构成包括有表头、与表头密封连接的管筒、沿管筒滑动的磁性浮球，管筒内的PCB电路板上纵向等间距排布有若干干簧管，各干簧管连接于电阻串联电路中，构成各等值电阻短路控制开关，电阻串联电路的一端连接至恒流源输出端，同时连接A/D转换器的正输入端，另一端和干簧管开关一端连接至A/D转换器负输入端，同时该端还连接有一基准电阻至地，A/D转换器的基准电压输入端连接于该基准电阻两端，构成比例法测阻值电路，并根据测得的阻值大小和每个阻值代表的液位值确定当前的液位。
此类浮球液位变送器根据阿基米德浮力原理，浮球随液位于管筒滑动至稳定位，与管筒内该稳定位相对应的干簧管磁耦合，程序通过高度值与干簧管闭合之上的总阻值之间的线性关系，计算获得液位值，其测量电路的典型原理结构如图1所示。
浮球液位变送器的液位感应元件为干簧管，因此产品测量的可靠性基本依赖于干簧管的器件质量，一旦某一干簧管出现闭合后不能断开的质量问题，就会造成整套变送器无法工作，停工检测，耗时，拆修工作量大；另外，对于存在液位分离层的检测工况，只有少量进口雷达仪表能够实现某一分离层层厚测量，而现有的浮球液位变送器无法完成，而且进口仪表价格昂贵，测量中还易受到干扰。
发明内容
本专利申请的发明目的在于改进现有的浮球式液位测量机构，提供一种在某一感应件干簧管出现闭合后无法断开问题时仍能正常完成液位测量，并具有分离层介质工况的分层测量能力的感应件故障时、分离液层层高测量法和其浮球液位变送器。
本专利申请提供浮球液位变送器技术方案，其主要技术内容是：一种浮球液位变送器，包括表头、管筒、沿管筒滑动的磁性浮球和测量电路，测量电路的液位感应单元为若干等值电阻串联的电阻串路，各相邻电阻间的串联节点上并联一干簧管，各干簧管等间距排布在管筒内轴线上的条形电路板上，测量电路的测控单元设置表头内，测控单元为包含恒流源和A/D转换器的测量控制单元，电阻串路的两端与恒流源输入端前端切换选择的两连接端口连接，并与A/D转换器正输入端前端切换选择的两采集端口连接，各干簧管的并联节点端一路连接至A/D转换器负输入端，另一路连接有作为A/D转换器基准电压的基准阻值分压电路。
在上述的整体技术方案中，测控单元中包含两恒流源。
在上述的整体技术方案中，测控单元中包括两A/D转换器。
在上述的整体技术方案中，管筒上、下滑动设有轻质磁性浮球和重质磁性浮球。
本专利申请还提供了一种基于所述的浮球液位变送器实现的某一感应件故障时的液位测量法，已知电阻串路的各电阻阻值为R、干簧管间距和管筒高度，某一感应件损坏——干簧管闭合后无法断开，浮球浮停且触动实际液位对应的干簧管，其测量方法为：依次将电阻串路两端电连接于恒流源输出端，并同步对应连接于A/D转换器正输入端，A/D转换器分别采集取得两次采样电压模拟量及转换对应的数字量，分别与依据已知恒定电流于A/D转换器基准端Vref+、Vref-基准电阻的基准电压模拟量及对应的数字转换精度，按比例法分别建立比例等式，分别计算获得电阻串路的当前上段总阻值和下段总阻值，依据每个电阻阻值、间距值计算出当前两点测量液位值，若测量下液位值始终为固定值，另一上液位值即空高值减化，则推定测量下液位值对应的干簧管损坏，实际液位值总管筒高度和减去采集测量到的空高；若上液位值即空高值始终为固定值，推定空高值对应的干簧管损坏，实际下液位为当前液位值。
本专利申请还提供的基于所述的浮球液位变送器实现的分离液层层高测量法，其测量方法为：已知电阻串路的各电阻阻值为R、干簧管间距和管筒高度，于管筒上滑动设有两浮球，所述的两浮球为按被测介质密度不同配置对应重量的轻质磁性浮球和重质磁性浮球，方法是：依次将电阻串路两端电连接于恒流源输出端，并同步对应连接于A/D转换器正输入端，A/D转换器分别采集取得两次采样电压模拟量及转换对应的数字量，分别与依据已知恒定电流于A/D转换器基准端Vref+、Vref-的基准电阻的基准电压模拟量及对应的数字转换精度量，按比较法分别建立比例等式，分别计算出当前重质磁性浮球的电阻串路下段的总阻值对应的下液位界面值和轻质磁性浮球的电路串路上段总阻值和其对应的上液位界面值，分离液层层高值为管筒高度与两液位界面的的差值。
本专利申请公开的感应件故障时、分离液层层高测量法和其浮球液位变送器技术方案，是基于现有的浮球式液位测量装置的改进技术方案，它在保持原有结构简单、价格低等技术优势的基础上，克服了当某一干簧管感应构件损坏而无法继续实现测量作业的技术不足，弥补了浮球液位测量装置无法完成分离层介质工况的分层测量的技术缺陷，使浮球式液位检测技术同样能够实现具有分离层介质工况的分层测量，填补了浮球式液位检测技术的分离层介质工况的检测技术空白，使产品性能增强、可靠性提高，实际运行可靠。
附图说明
图1为本专利申请的测量电路原理图。
图2和图3分别为单浮球工况测量的测量过程中的两电路工作图。
图4为本专利申请双浮球介质分离层测量时的电路原理图。
图5和图6分别是基于图4 的介质分离层测量的电路工作图。
具体实施方式
本专利申请提供的浮球液位变送器，其构成包括表头、管筒和沿管筒滑动的磁性浮球，测量电路包括液位感应单元和测控单元。液位感应单元的条形电路板沿管筒轴线安装在管筒内，管筒与表头密封连接，测控单元安装设置在表头内，由内部程序控制，采集液位感应单元变送模拟信号，启动A/D转换器转换，由内部程序计算，获得液位值测量信息，由表头液晶屏显示器直接显示，还可通过DAC电路输出标准的4-20mA电流信号。由于本申请的设计核心为测量电路，而不在于表头、管筒和磁性浮球的设置结构上，因此不赘附结构图也不影响本技术方案的理解。
如图所示，所述的液位感应单元为若干等值电阻R5、R6、R7、R8…Rn串联的电阻串路，相邻电阻间的串联节点m1、m2、m3、...mn分别并联一干簧管S1、S2、S3、…Sn，各干簧管S1、S2、S3、…Sn依次等间距排布在管筒内的条形电路板上，管筒垂直于液面置于液态介质中，磁性浮球受浮力沿管筒外壁滑动至某一液位。
测控单元设置于表头内，测控单元中包含两恒流源和两A/D转换器的微处理器或者A/D芯片，还可以是本实施例中采用的包含一恒流源、一A/D转换器和多路复用器MUX的功能芯片U1，如芯片ADUCM361，多路复用器MUX作为恒流源和A/D转换器输入端与两连接端口和两采集端口的切换选择电路：电阻串路的两端分别与恒流源的两连接端口IEX0、IEX1电连接，并与A/D转换器的两采集端口AIN0、AIN1电连接，芯片U1内程序控制多路复用器MUX完成两连接端口IEX0、IEX1与恒流源输出端选择切换连接，并同步完成两采集端口AIN0、AIN1与A/D转换器正输入端的选择切换连接。各干簧管S1、S2、S3、…Sn的并联节点端一路连接至A/D转换器负输入端，另一路连接有作为A/D转换器基准电压的基准阻值的基准电阻R4分压电路，连接于A/D转换器基准端Vref+、Vref-，基准电阻R4为高精度、低温漂的电阻。
其测量工作具体如下：
1、单浮球液位或者界位工况测量
管筒上滑动设有单一磁性浮球。设：电阻串路上的各电阻阻值为R，且每个干簧管的间距为L，管筒高度为H；假设：浮球受浮力处于管筒的干簧管S3所在位，致使干簧管S3闭合，则干簧管S3下方液位高表示为HL、上方液位高表示为HH。
其测量工作过程：
多路复用器MUX受程序控制，将第一连接端口IEX0与恒流源输出端电连接，同步将第一采集端口AIN0与A/D转换器正输入端切换连接，如图2所示。电流I由IEX0流经Rn、Rn-1….R8、干簧管S3和基准电阻R4分压电路，则A/D转换器采样电压值为：，A/D转换器的基准端Vref+、Vref-基准电压为R4两端电压：IR4 ,因电流I和电阻R4为已知量，若设定A/D转换器的转换精度为16位，则A/D转换器的采集最大值为216=65535，设当前A/D转换器采样转换的数字量为Dat，则成立，则,得到总电阻值，再除以阻值R，即可获得S3所在液位高度。
多路复用器MUX受程序控制，选择第二连接端口IEX1与恒流源输出端切换连接，同步选择第二采集端口AIN1与A/D转换器正输入端切换连接，如图3所示。A/D转换器采样电压为，其基准端Vref+、Vref-电压为IR4 ,同理成立，则，获得总电阻值，除以阻值R，可获得干簧管S3之上液位值。
由上可知，假设，干簧管S3损坏，闭合而不能断开，若此时实际液位低于损坏干簧管S3，可多次进行上述两测量过程，其测量得到HH值为始终为固定值，而获得实际的液位值为HL；若实际液位高于损坏干簧管S3，测量得到的值HL始终为固定值，而可以获得实际的液位值为管筒高度减去上液位值HH，实现了感应件——干簧管闭合却不能断开故障时的液位正常测量。
由此可见，本方案在出现某一干簧管损坏时不影响测量，通过程序识别获得实际液位值。
2、双浮球介质分离层的液位工况测量：
于管筒上滑动设有两浮球，所述的两浮球是根据被测介质密度不同对应重量配置的轻质磁性浮球和重质磁性浮球。
设：电阻串路的各电阻阻值为R，干簧管间距为L，管筒高度为H；假设：重质磁性浮球悬浮于干簧管Sn-1所在位，使干簧管Sn-1闭合，则干簧管Sn-1所在位的液面高度为HL，轻质磁性浮球悬浮干簧管S3所在位，使干簧管S3闭合，则干簧管S3之上的液位层厚值HH，则悬浮层液层高度为HM = H -HL- HH。
测量过程通过以下两步实现：
第一步中，多路复用器MUX受程序控制，选择第一连接端口IEX0与恒流源输出端电连接，同步选择第一采集端口AIN0与A/D转换器正输入端切换连接；第二步中，多路复用器MUX受程序控制，选择第二连接端口IEX1与恒流源输出端电连接，同步选择第二采集端口AIN1与A/D转换器正输入端切换连接。
第一步，恒流源由第一连接端口IEX0输出稳定电流I，如图5所示，电流回路为电阻Rn、Rn-1、干簧管Sn-1和基准采样电阻R4，A/D转换器采样电压值为，A/D转换器基准端Vref+、Vref-基准电压为IR4 ,与上同理，则成立，程序计算得到总阻值，再除以阻值R，第一步可得重质浮球所在液位的测量值；
第二步，恒流源由第二连接端口IEX1输出稳定电流I，如图6所示，此时的电流回路包括电阻R5、R6、R7、干簧管S3和基准采样电阻R4，A/D转换器采样电压值为，A/D转换器基准端Vref+、Vref-电压值为IR4 , 与上同理，则成立，程序计算得到总电阻值，除以阻值R，第二步得到轻质浮球之上的液面厚度值：；
由以上测量获得的HH、HL和已知的H，由HM=H-HH-HL获得当前中间悬浮分离层厚度值。
Claims (6)
1.一种浮球液位变送器，包括表头、管筒、沿管筒滑动的磁性浮球和测量电路，测量电路的液位感应单元为若干等值电阻串联的电阻串路，各相邻电阻间的串联节点上并联一干簧管，各干簧管等间距排布在管筒内轴线上的条形电路板上，测量电路的测控单元设置表头内，测控单元为包含恒流源和A/D转换器的测量控制单元，其特征在于电阻串路的两端与恒流源输入端前端切换选择的两连接端口连接，并与A/D转换器正输入端前端切换选择的两采集端口连接，各干簧管的并联节点端一路连接至A/D转换器负输入端，另一路连接有作为A/D转换器基准电压的基准阻值分压电路。
2.根据权利要求1所述的浮球液位变送器，其特征在于管筒上、下滑动设有一轻质磁性浮球和一重质磁性浮球。
3.根据权利要求1或2所述的浮球液位变送器，其特征在于测控单元中包含两恒流源，两恒流源输出端分别与两连接端口连接。
4.根据权利要求1或2所述的浮球液位变送器，其特征在于测控单元中包括两A/D转换器，两A/D转换器一输入端分别与两采集端口连接。
5.一种基于权利要求1至4任意之一的浮球液位变送器实现某一感应件故障时液位测量法，其特征在于其测量方法为：已知电阻串路的各电阻阻值为R、干簧管间距和管筒高度，某一感应件损坏——干簧管闭合后无法断开，浮球浮停且触动实际液位对应的干簧管，其测量方法为：依次将电阻串路两端电连接于恒流源输出端，并同步对应连接于A/D转换器正输入端，A/D转换器分别采集取得两次采样电压模拟量及转换对应的数字量，分别与依据已知恒定电流于A/D转换器基准端Vref+、Vref-基准电阻的基准电压模拟量及对应的数字转换精度，按比例法分别建立比例等式，分别计算获得电阻串路的当前上段总阻值和下段总阻值，依据每个电阻阻值、间距值计算出当前两点测量液位值，若测量下液位值始终为固定值，另一上液位值即空高值减化，则推定测量下液位值对应的干簧管损坏，实际液位值总管筒高度和减去采集测量到的空高；若上液位值即空高值始终为固定值，推定空高值对应的干簧管损坏，实际下液位为当前液位值。
6.一种基于权利要求1至4任意之一的浮球液位变送器实现的分离液层层高测量法，其特征在于其测量方法为：已知电阻串路的各电阻阻值为R、干簧管间距和管筒高度，于管筒上滑动设有两浮球，所述的两浮球为按被测介质密度不同配置对应重量的轻质磁性浮球和重质磁性浮球，方法是：依次将电阻串路两端电连接于恒流源输出端，并同步对应连接于A/D转换器正输入端，A/D转换器分别采集取得两次采样电压模拟量及转换对应的数字量，分别与依据已知恒定电流于A/D转换器基准端Vref+、Vref-的基准电阻的基准电压模拟量及对应的数字转换精度量，按比较法分别建立比例等式，分别计算出当前重质磁性浮球的电阻串路下段的总阻值对应的下液位界面值和轻质磁性浮球的电路串路上段总阻值和其对应的上液位界面值，分离液层层高值为管筒高度与两液位界面的的差值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180525 |