CN1120663A - 高精度的液体储罐计量仪 - Google Patents

Abstract

一种液体储罐计量仪，包括液位测量装置和二次仪表显示装置，上述的液位装置通过取样器(1)从码带(4)取出信号经变送器(8)处理输出；另外，测重装置通过力传感器(25)和测重变送器，使测量杠杆(24)一臂上的测重管(21)内的介质重量与反馈线圈(27)产生的电磁力平衡，由测量变送器(26)输出测量信号；二次仪表显示装置把上述变送器(8，26)来的信号予以处理显示。本计量仪测量精度高，可用高压储罐中的液化石油气、化工产品液位、体积及重度和质量计量。

Description

高精度的液体储罐计量仪

本发明涉及一种高精度的液体锗罐计量仪。特别涉及一种可对任何几何形状的常压或带压容器所储液体介质的体积、平均重度以及整个储罐介质的质量作高精度计量的仪器。

液体介质储存在罐内，就会对罐底产生压力，压力大小为液体高度与重度之积。现有技术的差压变送器就是通过测出两点液位的压力差来得到液体介质的重度。但由于压力传感器的膜盒存在材料长期受压变形及温漂的问题、储罐多数为底大上小的塔式形状使罐底的压强和温度有复杂关系等原因，致使计量精度不高。

另一方面，从现有技术的测量液位的高度法来说，常因取样器传感元件和电路部分不能接触罐内腐蚀性介质而需装在罐外的常压部分。这就出现密封和传动的问题，也存在误差增大的缺陷。

本发明的目的在于提供一种结构简单，计量精度高的液体储罐计量仪。

本发弱主要的目的是通过以下方案实现的：本液体储罐计量系统由液液位测量装置和测重装置构成，其变送信号输入二次仪表加以显示。上述的液位测量装置包括安装在罐顶的取样器和滑轮盒；测量码带的一端固定在浮标上，码带通过取样器和滑轮盒，另一端与重锤相连；取样器从码带取得的数字信号传送给变送器，经过其内部电路处理远传到控制室的二次仪表。上述的测重装置包括安装在罐顶的迁移杠杆，其一臂加迁移重锤，另一臂端铰悬测重管；该测重臂与罐连通，其下部压在测量杠杆一臂的端部上，此臂端测重管的重心下安设一个力传感器；该测量杠杆的另一臂端的上方固设一块永磁体，此永磁体上装有力反馈线圈，以及在力传感器和力反馈线圈之间配置测重变送器，且将测得的重量信号远传到控制室的二次仪表予以显示。

液体储罐计量仪进步包括下述的技术改进。上述的取样器具有取样器座和两相对置的发射探头与接收探头，两探头间留有间隙供码带移动通过，上述的发射探头内装红外光发射管，其前为嵌装的光导柱，而上述接收探头内装红外光接收管其前也是嵌装的光导柱，一一对应。红外光发射管射出的红外光，经光导柱进入测量码带所在的与储罐高压部分相连的空隙，透过码带上的码道洞，射入接收探头侧的光导柱为红外光接收管所接收而输出码带所存的数字信号。

上述码带的码道洞可按标准格雷码刻制外，还可以把高位码道洞长划分成两排，或者把高位洞长按非标准格雷码洞长与两对红外光发射管及相应的光导柱与红光接收管并用构成。

上述的浮标附装有补偿链，补偿链的单位长重量约为测量码带单位长重量的1.5-2.5倍范围，最好为2倍。

上述的液位变送器设有正负方向迁移开关和数字迁移电路，用以消除零点飘移提高测量精度。

上述的测量杠杆的测量管一臂上设有微迁移重锤。

通过上述的技术方案，由于本发明的液体储罐计量仪采用了光电取样器，使液位测量装置除变送器外都安装在罐内，因此不会出现机械结构卡死现象，各结构件也不需另加套盒保护，而测重装置对温度有自动补偿作用，因而本液体储罐计量仪不但精度高而且可靠性也高。

图1是液位测量装置的结构示意图；

图2是取样器的剖面图；

图3A—3C是测量码带的码道洞配置图；

图4是液位变送器电路框图；

图5是正负方向迁移开关及数字量迁移电路；

图6是测重装置结构示意图；

图7A和7B是恒流控制门及力反馈线圈电路图；

图8是塔形油罐的液位和质量计量仪中二次仪表的计算流程。

下面参照附图，详细说明本实用新型的技术方案。

图1是液位测量装置的结构示意图。如图1所示，液位测量装置包括安装在储罐2顶部的取样器座1，取样器座1上安装滑轮盒6。取样器座1和滑轮盒6内部与储罐内部连通，可以是常压或高压视所储介质而定。测量码带4的一端与浮标3连接，另一端穿过取样器1中的探头(12、13)的间隙，经过滑轮盒6，以其中的滑轮为支撑下垂与重锤7连接。补偿链5的一端固定在浮标3上，另一端或自由下垂或固定在罐顶。取样器1从测量码带4的码道洞采集的数字信号送到变送器8，经电路处理后，再传送到控制室的二次仪表予以显示或计算。

图2是取样器1的剖面图。标号10为取样器座，其一端法兰用密封垫固定在罐顶上，另一端法兰用密封垫与滑轮盒6的法兰通过压紧螺钉固定。标号12和13分别是发射探头和接收探头。两探头的梯形凸台部前端各嵌装气密固定可承受高压的光导柱19。光导柱19是以高折射率的光学玻璃为芯，低折射率光学玻璃为皮，在高温下拉制而成，芯直径与皮厚之比约13∶1，整个直径约1-1.5mm。所以，光损失小，取样灵敏度高。两探头的光导柱隔高间隙相对，而且个数视需要而定。发射探头的光导柱19后面是红外光发射管15的光射出面。接收探头13中的光导柱19的后面是红外壳接收管16的光入射面。发射探头12和接收探头13的两梯形凸台通过密封垫片18，用以压紧螺钉17封装在取样器座10上。两探头12和13之凸台间的间隙足可以通过码带4。这样，红外光发射管15和接收管16都在常压部分，而测量码带4则高压密封塞和传播红外光的作用。

工作时，液位的变化使浮标3升降，带动码带4上下移动。码带4上刻有格雷码，即液位数据的码道洞。当红外光发射管15发出的红外光经光导柱19进入高压空间间隙时，如此时码带4刚好是码道洞，红外光就穿过该洞进入对面的光导柱19′由红外光接收管16接收，经电路处理变成信号“1”，反之信号为“0”。光导柱19和19′对偶，在水平方向可以是多对，相应的红外光发射管15和接收管16也相应有多对，数量视测量的量程和码道洞的设计而定。

计量仪中的液位测量装置的量程为0-32767mm，码带4上需有15位格雷码的码道洞。如果测量分辨率为1mm的话，按标准格雷码冲孔成码道洞，从第1位到第15位的洞长依次是2、4、8、16、32、64、128、256……8192、16384和32768mm。

按标准格雷码冲出码道洞会使码带4强度降低，实际数果不理想。为此有两种改进方法，一种方法是低位码道洞按标准格雷码冲制，例如第6位以下，高位的洞长不按上述尺寸，如图3(A)所示第6位为64是标准冲洞方式，而是按图3(B)所示的非标准冲洞方式。这时，码道洞变成两排，即M6A和M6B 。横向看两排码道洞每端各有1mm重叠，但总长仍是64。这样每个洞长缩短了，保证了码带4的强度，但此时要在第6位增加一对光导柱19，19′，红外光发射管15和接收管16 。因为其他高位都是64的整数倍，可用相同的方法解决，此时只要在电路中将两排A与B组成或门就是格雷码标准尺寸，得到的是正常的测量数据。

另一种码道洞冲制方法是将高位按图3(c)的方式冲制，它也是一种非标准格雷码。这时第1道洞长为14，其余各洞长为7.12，洞的间距为8，对第6位来说，总长为54而不是64。这是通过再设置一对光导柱19，19′，红外光发射管15和接收管16来解决。若新添加光导柱与原在的光导柱之间的间距10mm，则各高位码"1"的洞长都减小10mm。这个10mm就是两套光导柱19与相应的红外光发射管15和接收管16电路组成或门后的补偿值。顺便说一下，此补偿值还与测量的分辨率完全无关。

为了使液位与测量码带4同步，消除浮标3吃水深度随液位上升，因码带4自身加在浮标3上的重量变化造成的测量误差。在浮标3上附加补偿链5。该链5的一端固定在浮标3上，另一端或悬垂于浮标1下的液体介质中或固定在储罐的顶部，随液位垂落在浮标3的上部。该补偿链5的单位长度重量为码带的1.5-2.5倍，最好是2倍，从而实现了自动补偿。

下面参照图4和图5，说明液位测量装置和变送器8。取样器1从测量码带4取出的非格雷码数据信号通过取样电路，例如用LM339比较器构成的电路，把它变成标准格雷码。再送入门槛电路以确定信号的真实性，输出后又送入格雷码变成二进制码的电路，例如通过异或门电路，其输出的二进制码与正负方向迁移开关的迁移命令都送入数字迁移电路，如图5所示，一起进行运算，最后输出代表消除了零点飘移后的真实液位二进制信号。此信号再次进入二进制码变成格雷码的转换电路，输出远传性能好的格雷码信号将其送往控制室的二次仪表9。

正负方向迁移开关，如图5所示，共有9个，其中一个开关(kq)管正负方向，8个是管迁移量的8位开关(K₁-K₈)。还有其中A₀、A₁……A₁₄是二进制码经全加器(1-15)迁移输出。由于8个开关(K₁-K₈)可迁移±255mm，迁移精度可达“0”级。从上可知，所谓数字迁移就是人为的加减一个数，以便消除安装不准确和长期工作造零点飘移进行人为地补偿，从而消除测量误差，提高液位测量精度。

接着将说明本液体储罐计量仪的测重装置结构和测量原理。如图6所示，迁移杠杆22的中部用刀口或铰链支撑安装在储罐2的顶部。迁移杠杆22的一臂L₄长度处加一迁移重锤23，其另一端L₃处下部设置阀门和软管28与储罐连通用以流通液体，另外，测重管21底部与测量杠杆24的左臂长L₁处相连并加压于其上。在测重管21的重心之下安装一个力传感器25。此力传感器25向测重变送器26输出测得的重量信号U₁，通过变送器26控制力反馈线圈27与永久磁体Q的电磁力于测量杠杆24的右臂L₂处以达到力平衡。

上述迁移杠杆22应采用刚性强度高的材料。两个铰链应采用高质量的滚珠轴承，必要时也可用天平刀口。整个迁移杠杆22可设在外壳内以防风雨。杠杆22的右臂长L₃要尽可能短一些，使测量管21靠近储罐。

还有，上述的测重管21在能搞拒所储介质压力的情况下，其壁厚应尽可能薄一些，所用材料以薄壁不锈钢管或铝合金管为好。测重管21的截面形状最好与被测储罐或容器相似，以便于测量计算。另外，用于测重管21与被测储罐2相连的柔性软管28要足够柔软质轻，以确保测重的高灵敏度。

上述的测量杠杆24除和迁移杠杆22有相同的材料要求外，还要加过载保护，以免断电时因力反馈线圈的电磁力消失，测重管21内过大的被测液体介质的重量压坏力传感器25。

上述的力传感器25只起控制无差调节系统反馈方向的作用，所以要求其温度稳定性好变差小，而精度要求却不高，量程范围也不需很大。就测量量程10米高的水来说，如要求灵敏达万分之一，可选用量程0-400克，0.5级精度的力传感器，如航天部701所产的AKC24-25已能保证2克力便有输出电平变化。

另外，测重变送器26的电路由电路比较单元、时钟控制门、二进制可逆计数器、恒流控制门及恒流源组五部分组成。上述测重变送器26和上述机械构件构成力与电磁力平衡式数字量输出的高精度测重装置。该测重变送器26的电原理如图6中虚线框所示，其中的恒流源组、恒流控制门及反馈线圈的电路原理图，如图7(A)和7(B)所示。

从图7(A)可知，恒流源组各自向恒流控制门T₁、T₂……T₁₄提供恒定电流I₁、I₂……I₁₄。当恒流控制门接到可逆计数器来的14位二进制控制信号A₀、A₁……A₁₃时，向一个反馈线圈输出电流I 。恒流源与控制门的个数决定于测重要求的分辨率、精度及量程。一方面要求恒流精度高，例如可用LM317来制作。另一方面，要求恒流控制门能提供足够的电流，但关断时的漏电流要很小。力反馈线圈产生的电磁力和电流要求线性度高且温度稳定性好。图7(B)所示为另一种恒流组与恒流控制门的连接方式，每一个恒流控制门有一个力反馈线圈，从而以大大降低电磁力和电流的线性度要求。每个门产生的电磁力由安匝数来决定，如果匝数绕制不准，可通过调节恒流源的电流值来达到。这样对线圈的匝数和恒流的要求都降低了。

下面说明测重的原理。测量杠杆24受五种力的作用，就是受测量杠杆24左臂的测重管21及其内的液体介质的重力、微迁重锤P、力传感器向上的反作用力，而右臂受永久磁体Q的重力、力反馈线圈的电磁斥力。左右两臂五力平衡而测得液体介质的重量。

适当调整迁移重锤23的位置，使其重量与臂距L₄之积等于无液体介质时测重管21的重量与L₃之积，即力矩平衡时，再适当调整微迁重锤P的力臂距离Lp，使微迁重锤P和永久磁体Q的重量合力作用于力传感器25的重力为力传感器25量程的一半左右。此时，力传感器25模拟量输出固定的电压U₁，将此电压U₁输入测重变送器26中的比较单元，在此单元与电位设定输入值U₂进行比较。设无被测介质时△U＝U₁－U₂＝0，时钟控制门被关闭，于是时钟脉冲CP不能进入14位二进制可逆计数器，即不能计数，与此同时还要使计数器处于清，0”状态。当液位上升时，即测重管21内被测介质重量增大时，测重杠杆24左臂产生向下的力矩，压在力传感器25上的力随之增大，于是力传感器25的输出U₁值也上升，使比较器△U＝U₁－U₂＞0，时钟控制门被打开，这时CP脉冲允许进入计数器进行计数。于是，计数器输出二进制信号A₀-A₁₃供给恒流控制门电路，使恒流源组输出电流I₁-I₁₄之和I，驱动力反馈线圈27产生与测量杠杆24上的永磁体Q的电磁斥力，以抵消液体介质增加的重力。与此同时，又使压在力传感器25上的重力减小，再次平衡时，△U＝0，时钟控制门再次被关闭，计数器的输出稳定在某种状态。这时的力反馈线圈27产生的电磁斥力，如果力臂L₁＝L₂的话，此力就等于测量管21内所储该介质液体的重量。

力反馈线圈27所产生的电磁斥力和流过其中的电流I成正比，而电流I又和计数器输出的二进制数A₀-A₁₃(记之和为A)成正比。所以，测重管内某液位介质的重量为C₁C₂A，而储罐所储的介质总重量应为C₁C₂A(1＋D²/d²)，其中C₁、C₂为比例常数，D、d分别是储罐2内经和测重管21的内径。这两个重量值可用二次仪表或计算机在接到测重变送器26的二进制计数器数A的二进制计数器数A时二进制计数器数A予以译码显示。

下面将通过图8说明把本液体储罐计量仪用于塔形油罐2的计算流程。由液位测量装置部分测出塔形油罐2内的液位Hx，然后根据计算机内所存每层钢板高度和直径算出所储液体介质的总体积V＝V₁＋V₂＋V_n。另一路由测重装置部分，测量出测重管21内液位的重量F₃，由于F₃代表了π/4d²·H_x·γ，所以F₃被测重管21面积π/4d²除后得出H_x·γ 。将H_x·γ的值和液位测量装置测定的H_x值同时输入重度运算单元进行γ＝H_xγ/H_x的运算，得出油罐内液体介质的平均重度γ。再将总体积V和平均重度γ进行乘法运算最后得出被测介质的总重量，从而实现塔形罐的质量计算。

Claims (10)

1.一种液体储罐液位计量仪，它包括二次仪表(9)，其特征是：带压的具有光发射探头(12)和光接收探头(13)的取样器(1)和滑轮盒(6)安装在储罐(2)顶部，测量码带(4)通过上述取样器(1)和滑轮盒(6)，一端固定在浮标(3)上，另一端与重锤(7)相连，上述取样器(1)从上述测量码带(4)读取数字信号传送给变送器(8)，经其处理再传送到二次仪表(9)予以显示。

2.一种液体储罐计量仪，它包括二次仪表(9)，其特征是：带压的具有光发射探头(12)和光接收探头(13)的取样器(1)和滑轮盒(6)安装在储罐(2)顶部，测量码带(4)通过上述取样器(1)和滑轮盒(6)，一端固定在浮标(3)上，另一端与重锤(7)相连，上述取样器(1)从上述测量码带(4)读取数字信号传送给变送器(8)；还有，测量杠杆(24)安装在储罐(2)底部附近，上述测量杠杆的一臂端上设有与储罐(2)内部液体连通的测重管(21)，此测重管(21)的臂下设有力传感器(25)，另一臂端固设一块永磁体(Q)，其上设有力反馈线圈(27)，通过上述的力传感器(25)与测重变送器(26)使上述测重管(21)内的液体重量与力反馈线圈(27)和永磁体(Q)产生的电磁斥力平衡，在上述测重变送器(26)输出测得的重量信号；二次仪表(9)根据上述变送器(6.26)的信号处理，变成质量信号。

3、按照权利要求1或2的计量仪，其特征是：

上述的取样器(1)具有取样器座(10)和安置上述取样器座(10)上的两相对置的发射探头(12)和接收探头(13)，上述两探头(12，13)之间留有间隙供码带(4)移动通过，上述的发射探头(12)内装红外光发射管(15)，其前嵌装光导柱(19)，而上述接收探头(13)内装红外光接收管(16)，其前也是嵌装的光导柱(19′)。

4、按照权利要求1或2的计量仪，其特征是：上述测量码带(4)的码道洞的高位为非格雷码洞长，上述发射探头(12)中的红光发射管(15)和光导柱(19)以及上述接收探头(13)中的红外光接收管(16)和光导柱(19′)至少增加一对。

5、按照权利要求2的计量仪，其特征是：上述浮标3装有补偿链(5)。

6、按照权利要求4的计量仪，其特征是：上述补偿链(5)的单位长重量约为测量码带(4)单位长重量的1.5-2.5倍。

7、按照权利要求1或2的计量仪，其特征是：上述液位变送器(8)设有正负方向迁移开关和数字迁移电路。

8.按照权利要求1或2的计量仪，其特征是：上述储罐(2)顶部还设有迁移杠杆(22)，其一臂端用铰链悬挂测重管(21)，另一臂加迁移重锤(23)用以平衡上述测重管(21)的自重，上述测量杠杆(24)在测重管(21)所在臂上还设有微迁移重锤(P)。

9、按照权利要求2或8的计量仪，其特征是：上述的测重变送器(26)包括电位比较单元、时钟控制门、二进制可逆计数器和恒流控制门电路，电位比较单元接到力传感器(25)的输出电压U₁与电位设定值U₂进行比较，当△U＝U₁－U₂为零时，关闭时钟控制门，使时钟脉冲CP不能进入，当△U＞0或△U＜0时，开通时钟控制门让CP进入计数器，此计数器的计数输出控制恒流控制门电路输出电流到力反馈线圈产生电磁斥力，同时还传送到二次仪表。

10、按照权利要求9的计量仪，其特征是：上述的恒流控制门是由晶体三极管组成的，恒流源向各晶体三极管的集电极提供恒定电流，各晶体管的射极输出到一个共同的力反馈线圈，或者各自输出到相应的反馈线圈以产生电磁力。

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