CN2101218U - 激光精密探测液位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种精密探测液位的装置，它利 用了液位棱镜效应，使用了强度稳定的激光器为光 源，使用电荷耦合图象传感器CCD器件作图象信号 检测接收装置和使用了一系列滤除杂散光的滤光片， 使液位探测精度提高到±0.1mm，分辨力达到± 0.01mm。本实用新型提供的一个激光精密水位计实 际测量结果是精度±0.1mm，分辨力±0.03mm，应用 于反应堆水位精密测量，取得满意结果。

Description

本实用新型涉及一种精密探测液位的装置，特别是使用激光精密探测水位的装置。

目前测量液位的方法很多，主要有压力法、电容法、声学法、浮子法等等。但上述方法的测量精度不高，在有些场合难以达到使用要求。并且，上述方法中有些传感器要置于液体之中，这就给设备密封带来一定困难。本实用新型的测量精度明显优于上述方法，而且是无接触测量，对液体设备的密封无影响。

在检索的文献中，亦有光学探测液位的报道，但由于它们未考虑液面的精细结构，故探测精度不高，另外，有的未采用激光器做光源受杂散光的影响，使测量精度难以提高。

使用激光器件做光源时，由于激光能量集中，单色性好，扩散角小，可以使测控范围加大；增加滤光片，对杂光有强抑制，提高了精度。如可以使用激光器做光源用反射式测量熔融状玻璃和钢水的液位，这种探测方法用于控制玻璃或钢水的浇铸有其独特的优点。另外，也有使用某种射线（如γ射线）替代光源作液位探测的。但以上各种方法探测液位精度均只达到毫米的量级，在有些应用的场合如反应堆的水位测量上，满足不了精度要求。

本实用新型的任务是在考虑了液位面精细结构的基础上，提出一种新的液位测量方法提供一种精密测量液位特别是测量水位的装置，其探测精度达到±0.1mm，分辨力达到±0.01mm。

本实用新型是基于下述原理和方法的。一般液体或水在玻璃或石英容器中，由于毛细现象，形成液体的虹吸挂壁现象，即由于虹吸现象液面将攀附器壁出现高于水平面的M部分，又由于水分子摩擦力及重力的共同作用，出现下凹的N部分，如附图1所示。图1中（1）是M部分，（2）是水平面，（3）是N部分。当一束平行光平行于水面照射时，由于M与N这两部分对光线的斜向反射，使容器另一侧形成的光学图象呈现附图2所示的情况，即中间暗两端亮的影象。上部的影象部分（4）由于光垂直器壁照射，使成象光亮；下部影象部分（7）由于水是均匀介质，故成象也清晰。中间部分（5）由于M和N两部分的作用，使这区间的光线反射到另外方向，形成暗象。我们称这种现象为液位的“棱镜效应”。这种液位的特有现象就构成了精确探测液位的光学基础，即本实用新型的基础。附图2中（5）和（7）的交界线（6）记为“L”，则L线的高度标示了液位的高度。L线的高度与真实的液面高度有一个恒定的差值。反复实验证明，对于水来说，这一差值为1mm左右，可以精确测定。本实用新型采用激光器作光源，提高了抗干扰能力。在光学图象一边使用电荷耦合图象传感器（CCD）器件置于象面上则可测出L线的高度，从而精确测出液位高度。上述激光器、CCD器件，置于一个测量滑台上。测量滑台有三级测量控制系统，控制由步进电机等构成的升降机构，使测量滑台随液位的升降而上下滑动。测量滑台的最终位置由光栅尺精确给出。

本实用新型提供的激光精密探测液位装置，由于考虑了液面的精细结构，从而使经典的光学方式测液位的方法提高精度1到2个数量级，精度达到±0.1mm，分辨力达±0.03mm，且单向重复性很高。完全满足反应堆水位精密测控的要求。

下面结合一个实施例及附图，进一步对本实用新型作详细说明。

图3是激光精密水位计构造示意图；

图4是激光精密水位计的电子线路方框图。

由图3可以看到，激光器（13）等全部测量部件都装置在测量滑台（19）上，测量滑台（19）由步进电机（8）通过蜗轮付（26），绕线轴（27），钢丝绳（24），滑轮Ⅰ（15），滑轮Ⅱ（16），配重（25）组成的升降机构，可以沿玻璃或石英玻璃制作的水容器管（28），根据水位的高低上下移动。测量滑台（19）的位置可以由光栅定尺（17）和固定在测量滑台（19）上的光栅动尺（23）精确给出。测量滑台（19）随水位的高低移动，最后精确定位在水位面上，其测量控制系统有三级。头一级是在水容器（28）管壁上安装的一系列压力传感器，图中画出了两个：压力传感器Ⅰ（10）和压力传感器Ⅱ（9），它们提供的水位信号可以使测量滑台（19）在厘米级随动水位。第二级控制是装在测量滑台（19）上的光敏器件（22），光栏（21），反射凹镜（11）组成的光学反射式水位测量系统。该系统给出的水位信号可以使测量滑台在毫米量级随动水位。第三级即本实用新型提供的探测方法和测控系统。安装在测量滑台（19）上的稳定光强的激光器（13）发出的激光束经扩束器（12）成为平行激光束。该激光束平行水面穿过水容器管（28），在水容器管（28）的另一侧，电荷耦合图象传感器（CCD）器件（20）接收光学图象。将标志水位的L线位置，即水位的数据经过接口电路输入计算机，数据经过计算机处理，如L线与实际液位差常量修正等，控制步进电机（8）使测量滑台（19）准确到±0.1mm定位在水平面的位置上。在CCD器件之前，装有可以滤掉其他杂散光的滤光片（29）。测量滑台（19）的位置可以由光栅动尺（23）和光栅定尺（17）精确读出。测量滑台（19）上装有做导向用的轴承（18）。水容器管（28）有连通管（14）与水箱相连。本实施例使用的滤光片仅使780μm波长的激光束通过；CCD器件选用象素宽度为12.6μm、共有2048个象素单元。通过8位A／D变换器对每个象素信号进行细分，可以得到十分之一象素的有效分辨力，即±1.26μm。本实施例提供的精密水位计的技术指标是：分辨力为±0.03mm，精度±0.1mm，作为反应堆专用水位计使用。

图4是激光精密水位计的电子线路方框图。图中图象传感器CCD（20），光敏器件（22），压力传感器Ⅰ（10）和压力传感器Ⅱ（9），及行程开关（30）提供三级的水位测控信号。这些信号通过接口电路    （22）进入微计算机A（33），微计算机A（33）对所有这些信号综合处理之后，控制步进电机电源（36），达到测量滑台随水位移动，最后精确到±0.1mm量级定位。光栅动尺和光栅定尺在测量滑台最后定位时，给出的读数信号（31）经接口电路（35）亦进入微计算机A（33）。微计算机B（34）接收微计算机A（33）测得的水位数值，一方面按要求控制进行数字显示（41），或发光管显示（40），或通过数据输出电路（38）将有关数据传给中心计算机（42），也接受控制键盘（39）的输入对整个测控系统进行人工控制。（37）是本装置使用的稳压电源。

Claims (8)

1、一种激光精密探测液位装置，由测量滑台(19)，装在测量滑台上的激光器(13)，电荷耦合图象传感器(CCD)器件(20)，步进电机(8)及其附件构成的测量滑台升降系统组成，其特征在于激光器(13)和电荷耦合图象传感器(CCD)器件(20)分装在水容器管(28)的两侧成一直线的位置上，测量滑台(19)随动液位的控制系统由压力传感器测控系统，光反射测控系统和激光精密液位系统三级构成，测量滑台(19)的最终位置读数由光栅尺系统给出。

2、根据权利要求1所述的激光器和电荷耦合图象传感器（CCD）器件，其特征在于二者之间还装有激光扩束器（12）和滤光片（29）。

3、根据权利要求1或2所述的滤光片其特征在于只能使780μm波长的激光束通过。

4、根据权利要求1所述的CCD器件其特点是其所测到的图象信号又经一个8位的A／D转换器对每个象素信号进行细分，而得到十分之一象素的分辨力。

5、根据权利要求1或4所述的CCD器件及A／D变换器对象素的细分，其特点是使用象素宽度为12.6μm的CCD器件及8位A／D变换器，得到有效分辨力±1.26μm。

6、根据权利要求1所述的压力传感器测控系统，其特点在于是由装在水容器管（28）中的压力传感器Ⅰ（10），压力传感器Ⅱ（9）或更多压力传感器及接口电路组成。

7、根据权力要求1所述的光反射测控系统其特点在于是由光敏器件（22），光栏（21），反射凹镜（11）组成，并装置在测量滑台    （19）上，分置于水容器管的两侧。

8、根据权利要求1所述的光栅尺系统其特征在于是由固定在测量滑台上的光栅动尺（23）和固定连接在水容器管（28）上的光栅定尺（17）组成。

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