CN205981377U - 一种激光液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光液位测量装置，包括内部设有浮子的导管，导管的底端设有过滤结构，导管通过过滤结构与外部液体连通，导管的顶端连接有全密封的电子仓，电子仓内设有激光器，电子仓与导管连接的侧壁设有透光结构；浮子靠近激光器的一侧设有反射面，浮子远离激光器的一侧设有配重件，激光器的激光发射端和反射信号接收端均朝反射面设置；激光器发射的激光信号穿过透光结构到达反射面，反射面的反射信号穿过透光结构回到激光器。本实施例中激光器设置在全密封电子仓内，对作业现场环境适应能力大大提高。

Description

一种激光液位测量装置

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种激光液位测量装置，尤其涉及储罐、水利水电、化工、石油管道、城市排污、城市供排水等超高液位检测领域。

背景技术

现有液位测量主要包括储罐液位测量、水利水电液位测量和城市排水、排污系统液位测量等。储罐液位结合其储存液体密度，计算出储液体积和质量。储罐液位指标是现代化工业生产的重要指标之一。水利水电主要应用于河流、湖泊、海边、水库、船闸、集水井等多方面水位检测，准确水位的指标起到经济运行、安全运行、防洪抗旱、科学调度等重要作用。城市排水系统是处理和排除城市污水和雨水积水的工程设施系统，是城市公用设施的组成部分。城市排水系统规划是城市总体规划的组成部分。在实行污水、雨水分流制的情况下，污水、雨水水位测量起到合理调度排水泵站与排水闸门的作用，污水由排水管道收集，送至污水处理场处理后，排入水体或回收利用；雨水径流由排水管道收集后，就近排入水体。

目前液位测量领域的测量手段主要包括投入式技术、超声波技术、磁致伸缩技术和浮子式技术。

其中投入式技术的投入式液位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。应用安装视图如图1，它包括了投入式液位传感器三种应用形式，左边为深井、水槽，中间为水库、江河、湖泊，右边为储液罐、管道。它们可以代表目前大多数压力式液位传感器安装形式。其中包括压力液位传感器探头、连接电缆、固定安装平面和变送器。投入式液位传感器工作流程：传感器探头采集液位压力通过电缆供电、传输给变送器，变送器将压力物理量变送成电信号(一般为4～20mA/DC1～5V)，以供PLC、采集卡读取。

超声波技术的超声波液位传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的。超声波碰到杂质或分界面会产生反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。应用安装视图如图2，它包括了超声波液位传感器三种应用形式，左边为深井、水槽，中间为水库、江河、湖泊，右边为储液罐、管道。它们可以代表目前大多数超声波液位应用安装形式。超声波传感器工作原理：由超声波换能器(探头)发出高频脉冲声波，遇到被测物体(物料)表面被反射折回，反射回波被换能器接收转换成电信号，声波的传播时间与换能器到物体表面两倍的距离成正比。

磁致伸缩技术的磁致伸缩液位传感器是采用磁致伸缩原理制造的绝对位置测量传感器。该产品由脉冲电路、波导线、回波信号单元、结构件和保护套管组成。由于采用非接触测量方式，因而被广泛运用在石油化工、食品、水处理、环保、农药、造纸、水库、染料、油压机械等行业设备中。应用安装视图如图3，它包括了磁致伸缩液位传感器三种使用形式，左边为深井、水槽，中间为水库、江河、湖泊，右边为储液罐、管道。它们可以代表目前大多数超声波液位应用安装形式。其中包括浮子、测杆、固定平面和电子仓。磁致伸缩液位传感器工作原理：电子仓内脉冲发生器产生起始脉冲沿波导线传播，当遇到嵌有磁环的浮子时，产生磁致伸缩效应回波回传单子仓。由于脉冲波在波导丝中具有固定的传输波速，起始波与回波传输时间差正比于电子仓与浮子之间距离的两倍，通过计算，可以精确测量液位。

浮子式技术的浮子式液位传感器是采用重力平衡原理制造的绝对位置测量传感器。该产品由浮子、配重、钢绳、旋转编码器组成。由于采用的测量方式简单、直观，所以在水利上应用比较广泛。

应用安装视图如图4，它包括了浮子式液位传感器三种使用形式，左边为深井、水槽，中间为水库、江河、湖泊，右边为储液罐、管道。它们可以代表目前大多数超声波液位传感器应用安装形式。其中包括浮子、钢绳、固定平面、旋转编码器和配重。当液位变化时，浮子作涨落直线运动，通过钢绳传递给旋转编码器，形成旋转编码器的旋转运动，旋转编码器的值由采集卡或PLC取出以计算当前液位值。

现有液位测量装置主要就是以上四种，它们在运用上都存各自的缺陷和问题，具体各方面的表现参数如表1所示。

类型

盲区

最大液位

环境影响

检测精度

可靠性

制造工艺

超声波

0.5-1.2m

70m

影响大

±3mm

一般

简单

投入式

0.5m

100m

一般

±5mm

高

简单

浮子式

0.5m

40m

影响大

±1cm

差

简单

磁致伸缩

0.1m

25m

一般

±1mm

高

复杂

表1

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种激光液位测量装置，能够，以克服背景技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种激光液位测量装置，包括内部设有浮子的导管，导管的底端设有过滤结构，导管通过过滤结构与外部液体连通，导管的顶端连接有全密封的电子仓，电子仓内设有激光器，电子仓与导管连接的侧壁设有透光结构；

浮子靠近激光器的一侧设有反射面，浮子远离激光器的一侧设有配重件，激光器的激光发射端和反射信号接收端均朝反射面设置；

激光器发射的激光信号穿过透光结构到达反射面，反射面的反射信号穿过透光结构回到激光器。

较佳地，还包括用于固定测量装置的定位安装件。

较佳地，导管与电子仓之间通过法兰连接，定位安装件设置在法兰上。

较佳地，过滤结构为过滤腔。

较佳地，过滤腔的各个侧壁上均匀布设有数个滤孔。

较佳地，浮子的外圆周面与导管的内壁之间为间隙配合，反射面的外缘与导管的内壁之间为间隙配合。

较佳地，激光器的电源线通过设置在电子仓上的防水插头连接件与外部电源连接；激光器的电源线信号传输线通过设置在电子仓上的防水插头连接件与外部控制器连接。

较佳地，电子仓包覆有隔温材料。

较佳地，导管和过滤结构为不锈钢材料制成的导管和过滤结构。

较佳地，反射面通过支撑杆连接于浮子的顶部，配重件通过连接杆设置于浮子的底部。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型在使用时，将设置在安装法兰上的定位安装件连接到深井或江河水库的侧壁上，或者连接到储液罐的顶部或侧壁，连接好之后，本装置即定位安装完成，可以开始工作。具有防撞功能的过滤结构也即过滤腔过滤液体杂质，连通外部液位，液体由过滤腔进入导管，使导管内部浮子漂浮，依椐连通器原理各容器中的液面应保持相平，浮子与液体平面保持相对平行，激光到下方浮子顶部的反射面，并接收浮子反射过来的激光官术，精确测量浮子位置，再以有线或无线形式传输给控制器，以达到液位检测的目的。本实施例中激光器设置在全密封电子仓内，对作业现场环境适应能力大大提高。由于加装了具有防撞性能的过滤结构，使得本装置在沙泥、污水、漂浮物等各种水体环境下均可正常工作。本装置采用主体采用全不锈钢结构，具有防水、防尘、防湿、防震等特点，环境的变化对测量没有影响，本发明再提高测量作业可靠性的同时，大大降低装置制作和测量作业的成本。

附图说明

图1为现有投入式液位传感器在深井、江河水库和储液罐中使用的示意图；

图2为现有超声波液位传感器在深井、江河水库和储液罐中使用的示意图；

图3为现有磁致伸缩式液位传感器在深井、江河水库和储液罐中使用的示意图；

图4为现有浮子式液位传感器在深井、江河水库和储液罐中使用的示意图；

图5为本实用新型实施例所述激光液位测量装置的结构示意图；

图6为本实用新型实施例所述激光液位测量装置在深井中的使用示意图；

图7为本实用新型实施例所述激光液位测量装置在江河水库中的使用示意图；

图8为本实用新型实施例所述激光液位测量装置在储液罐中的使用示意图；

图9为本实用新型实施例中浮子和导管配合处的放大图；

图10为本实用新型实施例中浮子和导管配合处横截面的示意图；

图11为本实用新型实施例法兰的侧面结构示意图。

图中：1-过滤结构，2-浮子，3-液体平面，4-法兰，5-激光器，6-反射面，7-导管，8-支撑杆，9-连接杆，10-电子仓，11-配重件，12-防水插头连接件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

一种激光液位测量装置，包括内部设有浮子2的导管7，导管7 的底端设有过滤结构1，本实施例的过滤结构1为过滤腔，过滤腔为直径与导管7的相同的圆柱体，过滤腔的各个侧壁上均匀布设有数个滤孔，各个滤孔的直径为10mm，各个滤孔外缘之间的距离也均为10mm；导管7的底端通过过滤结构1也即过滤腔，与外部的待测区域的液体连通，

导管7的顶端连接有全密封的电子仓10，电子仓10内设有激光器5，激光器5的电源线和信号线均通过设置在电子仓10上的防水插头连接件12与外部电源和外部控制器连接。

激光器5还可以通过无线信号与外部控制器连接。外部控制器为PLC控制器。

浮子2的外圆周面与导管7的内壁之间为间隙配合，反射面6的外缘与导管7的内壁之间为间隙配合。

浮子2靠近激光器5的一侧设有反射面6，浮子2远离激光器5的一侧设有配重件11，反射面6通过支撑杆8连接于浮子2的顶部，配重件11通过连接杆9设置于浮子2的底部，使浮子2在浮起时保持平衡，液面保持在浮子2中间部位；激光器5的激光发射端和反射信号接收端均朝反射面6设置。

电子仓10与导管7连接的侧壁设有透光结构，激光器5发射的激光信号穿过透光结构到达反射面6，反射面6的反射信号穿过透光结构回到激光器5。

本实施例还包括用于固定测量装置的定位安装件，导管7与电子仓10之间通过法兰4连接，定位安装件设置在法兰4上。

导管7和过滤结构1为不锈钢材料制成的导管7和过滤结构1。

本实施例可以适用于多种环境的作业，如图5至7所示，分别为将本实施例适用于深井、江河水库、储液罐三种环境的实施方式，它们包含了大多数工业现场应用安方式。

首先将设置在安装法兰4上的定位安装件连接到深井或江河水库的侧壁上，或者连接到储液罐的顶部或侧壁，连接好之后，本装置即定位安装完成，可以开始工作。具有防撞功能的过滤结构1也即过滤腔过滤液体杂质，连通外部液位，液体由过滤腔进入导管7，使导管7内部浮子2漂浮，依椐连通器原理各容器中的液面应保持相平，浮子2与液体平面3保持相对平行，电子仓10内激光器5以150mS时钟周期发送620-690nm可见红色激光到下方浮子2顶部的反射面6，并接收浮子2反射过来的激光官术，精确测量浮子2位置，激光器5通过内部MCU变换成液位数据量，再以有线或无线形式传输给控制器，包括PLC或采集卡，以达到液位检测的目的。

本实施例中激光测量单元设置在全密封电子仓10内，因为电子仓10全密封并包覆有隔温材料，所以对作业现场温度环境适应能力大大提高。由于加装了具有防撞性能的过滤结构1，使得本装置在沙泥、污水、漂浮物等各种水体环境下均可正常工作。本装置采用主体采用全不锈钢结构，具有防水、防尘、防湿、防震等特点。环境的变化对测量没有影响。

本实施例利用激光器5的激光测距原理测量液位，量程最高可达200m。激光器5内部采用恒温技术，-10℃至+80℃温度正常工作。响应时间≤150mS。分辨率高1mm精度±2mm。采用数字式液位输出方式，支持RS485、SSI、4-20mA。可编程上下极限信号输出，适用于自动液位循环调节。

本实施例所述装置工作电源：DC24V，工作电流：环境温度<30℃时≤100mA，环境温度>30℃时≤1.2A，环境条件：温度：-10℃～+80℃湿度：≤90％，绝缘电阻：≥20MΩ。

本发明激光式液位测量装置及方法的各方面参数与现有四种测量方式的对比如表2所示

类型

盲区

最大液位

环境影响

检测精度

可靠性

制造工艺

超声波

0.5-1.2m

70m

影响大

±3mm

一般

简单

投入式

0.5m

100m

一般

±5mm

一般

简单

浮子式

0.1m

40m

影响大

±10mm

差

简单

磁致伸缩

0.05m

25m

一般

±1mm

高

复杂

激光式

0.05m

200m

无影响

±2mm

很高

简单

表2

对照本领域现有的四种测量方式，本发明再测量盲区上的表现优于现有的超声波式、投入式和浮子式的测量方式，并且与现有磁致伸缩式的测量盲区范围相同；在测量精度方面本发明的检测精度高于现有的超声波式、投入式和浮子式，其检测精度比磁致伸缩式测量方法稍低；

而在最大液位上本发明大大优于包括磁致伸缩式测量范围的其他几种测量方式；现有几种测量方式都会受到环境影响，而本环境对本发明的装置和测量作业均无影响，本发明的可靠性优于现有各种测量方式，本发明的制造工艺简单，其成本比复杂的磁致伸缩式测量方式至少可以降低一半。在牺牲1mm检测精度的情况下，可以换取多方面的改进，包括提高最大液位，装置本身和测量作业均不受影响环境，提高可靠性并大大降低生产和测量成本。而这些也包括在本发明的发明目的之内。

本发明的工作原理可分为三个原理的结合，包括连通器原理、浮力原理也称阿基米德定律和激光测距装置应用。

连通器原理几个底部互相连通的容器，注入同一种液体，在液体不流动时连通器内各容器的液面总是保持在同一水平面上。

浮力原理也称阿基米德定律：物体在液体所受浮力等于所排开的液体的重量。浮力＝物体在液体中所减轻的重量＝物体在空气中重量-物体在液体中的重量。显然，当物体上浮时，浮力大于物体的重力，当物体漂浮时，浮力等于重力；但当物体处于下沉状态时，浮力小于重力。本发明中使用的浮子2运行在漂浮或悬浮状态。

激光测距装置为现今成熟技术，新型大规模集成电路应用使得长距离高精度激光测距仪得以实现。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。本说明书中未作详细描述的部分属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种激光液位测量装置，包括内部设有浮子(2)的导管(7)，其特征在于：所述导管(7)的底端设有过滤结构(1)，所述导管(7)通过所述过滤结构(1)与外部液体连通，所述导管(7)的顶端连接有全密封的电子仓(10)，所述电子仓(10)内设有激光器(5)，所述电子仓(10)与所述导管(7)连接的侧壁设有透光结构；

所述浮子(2)靠近所述激光器(5)的一侧设有反射面(6)，所述浮子(2)远离所述激光器(5)的一侧设有配重件(11)，所述激光器(5)的激光发射端和反射信号接收端均朝所述反射面(6)设置；

所述激光器(5)发射的激光信号穿过所述透光结构到达所述反射面(6)，所述反射面(6)的反射信号穿过所述透光结构回到所述激光器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：还包括用于固定所述测量装置的定位安装件。

3.根据权利要求2所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述导管(7)与所述电子仓(10)之间通过法兰(4)连接，所述定位安装件设置在所述法兰(4)上。

4.根据权利要求3所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述过滤腔的各个侧壁上均匀布设有数个滤孔。

5.根据权利要求4所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述过滤结构(1)为过滤腔。

6.根据权利要求5所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述浮子(2)的外圆周面与所述导管(7)的内壁之间为间隙配合，所述反射面(6)的外缘与所述导管(7)的内壁之间为间隙配合。

7.根据权利要求6所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述激光器(5)的电源线通过设置在电子仓(10)上的防水插头连接件(12)与外部电源连接；所述激光器(5)的电源线信号传输线通过设置在电子仓(10)上的防水插头连接件(12)与外部控制器连接。

8.根据权利要求7所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述导管(7)和所述过滤结构(1)为不锈钢材料制成的所述导管(7)和所述过滤结构(1)。

9.根据权利要求8所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述反射面(6)通过支撑杆(8)连接于所述浮子(2)的顶部，所述配重件(11)通过连接杆(9)设置于所述浮子(2)的底部。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种激光液位测量装置，其特征在于：所述电子仓(10)包覆有隔温材料。