CN87201239U - 一种船用便携式液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种船用便携式液位测量装 置。该装置的特点是将极棒输出电容与基准电容经 逻辑电路线性转换成时间讯号，经过电缆将此时间 讯号传输到控制器，在控制器内经开关转换电路将 时间讯号线性转换成电压讯号，并由3(1/2)位数字电压 表显示被测液位高度。本实用新型能对船舶的油位、 水位进行快速、准确、连续地测量，并具有读数保持 及多种报警功能。

Description

本发明属于液位测量技术领域，是一种简便可携的应用电子技术对船舶的水位、油位进行测量、报警和数字显示的装置。

从现有技术中得知，船用便携式液位测量工具习惯上普遍采用钢皮量油卷尺和量水绳尺。由于这两种测量工具在结构原理上的特点，使得测量结果精度低、速度慢、读数不方便易误读，不能对液位进行连续测量，也不能实行预置测量报警。至于采用气压式、压力式、浮筒式等各种原理的液位测量装置由于结构原理和精度上的原因而很难达到可携式精确测量的目的。因船舶液位测量技术问题而引起的搁浅、倾斜、货损货差等已经直接影响了船舶的安全航行、船舶管理和运输质量，特别是给快速装卸、水尺调整、最佳经济航行等带来很大困难。

本发明的目的是提供一种便携可靠的液位测量装置，用以对船舶的油位、水位进行快速便携、准确、连续的测量或报警。

本发明是由极棒、电缆、控制器三部分组成，其基本原理如下所述：

由一根中心安装芯棒的空心铝管和接线盒组成的极棒，当该极棒插入被测容器中，铝管管壁与金属芯棒之间会形成极棒电容C_i，

C_i＝k·ε₀〔ε₁（H₀－H）＋ε₂·H〕…… 式（1）

式（1）中：k——结构系数。

ε₀——真空中的介电常数。

ε₂——被测液体的介电常数。

ε₁——空气中的介电常数。

H₀——极棒总高度。

H——极棒内液体高度。

由式（1）可知，电容量C_i与被测容器中的液位高度H成线性关系。

根据CMOS典型转移特性曲线的两个最显著特点即（1）转移特性曲线在整个温度范围内（－55℃～＋125℃）几乎没有变化。（2）阀值电压约为电源电压的45％，且有跟随特性。在极棒的接线盒内设计了C／T转换电路，将极棒电容C_i及设定的基准电容C₀分别线性转换成时间信号T_i与T_c。

设充电电容C的端电压

V_C＝E（1－e ）……式（2）

式（2）中：E——电源电压。

R——充电电阻，

C——充电电容（C_i或C_o）。

T——充电时间（T_i或T_o）。

将式（2）简化后得T≈0.7RC……式（3）

当C＝C_o时，T＝T_o；当C＝C_i时，T＝T_i。

由式（3）可知充电时间T与电容C成线性关系，C／T转换电路的输出端经电缆连接至控制器内T／V转换电路的模拟开关。T／V转换电路包括一组性能优良的线性恒流源电路，其输出电流I对充电电容C₃充电。C₃端的充电幅值可用下式表示：

V＝ (I ·T)/(C₃) …… 式（4）

式（4）中：I——恒流源输出电流。

T——充电时间（T_i或T_o）。

C₃——充电电容。

设I、C₃为常量，则当T＝T_o时，V＝V_o

T＝T_i时，V＝V_i

由式（4）可知：充电时间T与充电幅值V成线性关系。T／V转换电路的输出获得一组V_i、V_o的模拟电压。

本装置采用双端输出，在T／V转换电路的基准输出回路里串联了调零电位器W₁，电位器中心点输出为U_O ¹，双端输出电压用下式表示：

U＝U_i－U_O ¹…… 式（5）

双端输出U一方面供3 1/2 位数字电压表，另一方面供报警电路作为输入讯号。电压表的读数即为实际测得的液位高度H。

本发明的电缆采用RVVP四芯话筒电缆线。在电缆的外表皮刻有高度标志，当被测液位高于极棒有效高度时，该标志起辅助测量作用。如极棒有效高度为500mm，而被测液位高度为750mm，测量时应将电缆从测量孔中抽出300mm，此时数字电压表读数为450mm，再加上抽出的300mm，实际液位高度应为750mm。当用电缆进行辅助测量时测量精度主要取决于电缆标志精度。电缆长度可在0～30m内任取。

本发明用来测量导电液体时，极棒中心的芯棒必须经绝缘处理以防C_i被短接。

由于本发明采用双端输出，共模抑制能力强，零位稳定性好，精度高；主要元件选用CMOS集成电路并采用液晶显示，故整机体积小、重量轻、功耗低、携带方便、防爆性能良好，同时具有预置报警、故障报警及读数保持等多种功能。

本发明最佳实施方案及各部分电路原理可进一步结合以下附图详细说明：

图1为本发明的外型结构示意图

图2为本发明的C／T转换电路图

图3为本发明的T／V转换电路图

图4为控制报警电路图

图5为电压表电路图

图6为电源电路图

图7为本发明的部分输出波形图

参照附图，本发明的极棒〔6〕包括一根长600mm，内径18mm的空心铝管〔10〕和接线盒〔9〕，铝管〔10〕的中心有一根长600mm、直径3mm的金属芯棒〔5〕，通过两端的绝缘支架〔4〕和螺帽〔3〕将芯棒〔5〕紧固在铝管〔10〕的中心位置。铝管〔10〕的下端套装一只开有漏液孔〔2〕的缓冲器〔1〕，以防极棒〔6〕与容器底部直接冲击。铝管〔10〕的上端插进接线盒〔9〕的孔内并通过绝缘支架〔4〕与螺帽〔3〕将铝管〔10〕与接线盒〔9〕紧固为一体。铝管〔10〕上部侧面有排气孔〔7〕使极棒〔6〕内外液位保持一致。接线盒〔9〕包括C／T转换电路，芯棒〔5〕与铝管〔10〕分别通过弹簧片〔8〕与接地线〔11〕连至C／T转换电路，由此形成极棒电容C_i。接线盒〔9〕与电缆〔14〕的连接处有填料〔12〕和水密螺帽〔13〕，可保证电缆〔14〕与接线盒〔9〕的水密。

C／T转换电路包括D触发器I_1－1、电阻R₁、R₂、电容C₁、C₂，二极管D₁、D₂构成的自激振荡器，其输出分别连接分频器I_1－2及由与非门I_2－1～I_2－3组成的逻辑电路。当R₁＝R₂，C₁＝C₂时，振荡周期T＝T₁＋T₂≈1.4RC，在同相端Q输出一个本振激励讯号记作C点。C点讯号有三个作用：（1）经与非门I_2－1倒相输出作充放电激励讯号，（2）控制开关I_3－3、I_3－4，（3）供分频器I_1－2作输入控制用，使I_1－2在Q及 Q端获得一组相位相反并2倍于C点周期的分频讯号记作A点和B点，由A、B两点分别控制开关I_3－1和I_3－2。极棒电容C_i一端接地线，另一端接开关I_3－2与I_3－4的串联点k处，基准电容C₀一端接地线，另一端接开关I_3－2和I_3－4的串联点L处。由本振讯号A、B、C三点分别控制开关I_3－1～I_3－4的导通与断开状态。充电回路由E点出发经电阻R₃交替通过开关I_3－1、I_3－2分别向C_i、C_o充电。每当F点电位逐渐升高至阀值电压时则门电路I_2－2、I_2－3翻转，故在C／T转换电路的输出D点交替出现的是一组与电容C_i、C_o相对应的时间讯号T_i、T_o，电路各点波形如图所示。

电缆〔14〕一端通过水密螺帽〔13〕、填料〔12〕与C／T转换电路接通。另一端通过电缆插头〔15〕、插座〔16〕与控制器〔23〕连接。电缆〔14〕除了接＋5V电源、系统地线外，还将C／T转换电路输出D点的时间讯号及分频器输出A点的开关控制讯号送至控制器〔23〕内。

控制器〔23〕面板上设有液晶显示屏〔24〕、读数保持开关〔22〕高位报警开关〔21〕、低位报警开关〔19〕、总电源开关〔18〕、蜂鸣器〔20〕、充电插座〔17〕及电缆插座〔16〕。控制器〔23〕还包括T／V转换电路、控制报警及电压表电路。

T／V转换电路包括由运放I_4－1、三极管BG₂、电阻R₇、电容C₃组成的恒流源充电回路，开关I_5－1并联在C₃两端、即G点与地线之间，该开关受到D点输出讯号的控制。由三极管BG₁、电阻R₄、R₅、R₆组成倒相器，其输出端B¹点获得一个与A点互为倒相的控制讯号，分别控制开关I_5－2、I_5－3。D₃为峰值检波二极管，正极接G点，负极接J点，运放I_4－2、I_4－3分别构成二组跟随器输出级。

由波形图可知，当D点出现基准讯号T_o时，A点为低电平，B¹点为高电平，开关I_5－1、I_5－2均断开。I_5－3接通。恒流电流向C₃充电，在G点获幅值电压V_o并通过二极管D₃、开关I_5－3向积分电容C₅充电，当I_4－3的同相输入端N点电平与V_o接近时，D₃趋于截止，此时I_4－3的输出端电压U_o≈V_o幅值。当V_o＜U_o时D₃截止，泄放电阻R₉将N点电平缓慢泄放至接近于V_o值，设本振周期＜＜R₉·C₅，则输出电压U_o始终跟随V_o值。

同理，当D点出现T_i讯号时则输出端电压U_i≈V_i幅值。调零电位器W₁的中心点输出为U_o ¹双端输出电压U＝U_i－U_o ¹。供3 1/2 位数字电压表及报警比较器作输入讯号用。

由运放I_4－4、电阻R₁₃～R₁₈组成的比例减法器电路，（或称反馈电路）。参考电压V_Z经R₁₅到I_4－4的反相输入端，基准输出电压U_o经R₁₇到I_4－4的同相输入端，反馈电阻R₁₅与R₁₆之比可在50至200之间选取，输出端ω经R₁₈到恒流源I_4－1的同相输入端Y，Y端经电阻R₇₀接电源V_DD，C₆～C₈为滤波电容，反馈电路主要有二个作用：

（1）使系统稳定工作。

（2）改变分压电阻R₁₃与R₁₄的比值时，能达到灵敏度调节的作用。

控制报警电路包括与非门电路I_8－1～I_8－4。电阻R₅₁～R₅₅、电容C₁₃～C₁₅、蜂鸣器HTD等组成一个音频振荡器以供报警时的声音及液晶符号的闪烁指示。电阻R₆₉、C₁₃组成延时电路，当电路每次启动时，有个延时时间，以保证不发生误报警动作。

选用LM339集成片四比较器I_6－1～I_6－4、三极管BG₃～BG₁₀电阻R₁₉～R₅₀、二极管D₄～D₁₄、开关I_7－1～I_7－4分别组成了高位报警、低位报警、低电压报警、故障报警电路。K₂、K₃为高低位报警选择开关，C₉～C₁₂为延时电容以保证比较器能正常翻转。

当I_8－2输出端U₇为低电平时，音频振荡器停止工作，同时经钳位二极管D₆、D₉、D₁₂、D₁₄使报警电路输出被钳位在0.3V左右，液晶屏显示符不亮。只有当U₇为高电平时，音频振荡器工作，HTD输出音频声音，同时钳位二极管反偏液晶屏显示对应的报警符号。

当U_i≥U₁时，I_6－1输出高电平。开关I_7－1导通液晶驱动讯号 BP经开关I_7－1及二极管D₇使液晶显示“＋”号以示高位报警。

同理，当U_i≤U₂时，开关I_7－2导通，液晶显示“－”号以示低位报警。

当U_i≥U₃时，液晶屏显示“DDC”号以示故障报警。当开关I_7－4导通时则显示“←”号以示低电压报警。

由3 1/2 位A／D转换器I₉、液晶屏I₁₀构成数字电压表，电阻R₅₈R₅₉及电位器W₂是基准电压调节回路，K₄为读数保持开关，当K₄接高电平V_DD时，读数将被保持直至K₄断开为止。电位器W₂在本装置中亦可作为灵敏度细调节装置。

由BG₁₁、R₅₆、R₆₂组成的倒相器并在BG₁₁的集电极输出 BP液晶驱动讯号，以供四种报警符号显示用。

讯号输出电压U_i经R₆₀至I₉的正输入端，U_o ¹接I₉的负输入端。

本装置采用一节9V镍铬电池（BT）供电，外充电插座CZ，电源开关K₁，三端稳压器I₁₁，其输入端为电池电压端V_E，输出端为＋5V电源，电池负极接系统地线V_SS，电容C₂₈、C₂₉为滤波电容。

Claims (4)

1、一种船用便携式液位测量装置，它包括极棒[6]，电缆[14]和控制器[23]，其特征是：

(1)所述的极棒[6]包括一个根空心铝管[10]和接线盒[9]，所述的铝管[10]的中心有一根金属芯棒[5]通过两端的绝缘支架[4]和螺帽[3]将芯棒[5]紧固在铝管[10]的中心位置，铝管[10]的下端套装一只开有漏液孔[2]的缓冲器[1]，其上端插进接线盒[9]的孔内并通过绝缘支架[4]与螺帽[3]将铝管[10]与接线盒[9]紧固为一体，铝管[10]上部侧面有排气孔[7]使极棒[6]内外液位保持一致，所述的接线盒[9]包括C/T转换电路，芯棒[5]与铝管[10]分别通过弹簧片[8]与接地线[11]连至C/T转换电路；

(2)所述的电缆[14]是四芯话筒电缆，其外表皮刻有高度标志，电缆[14]一端通过水密螺帽[13]、填料[12]与C/T转换电路接通，另一端通过电缆插头[15]、插座[16]与控制器[23]连接；

(3)所述的控制器[23]的面板上设有液晶显示屏[24]、读数保持开关[22]高位报警开关[21]、低位报警开关[19]、总电源开关[18]、蜂鸣器[20]、充电插座[17]及电缆插座[16]，控制器[23]内装有T/V转换电路、控制报警及电压表电路。

2、如权利要求1所述的船用便携式液位测量装置，其特征是所述的C／T转换电路包括D触发器I_1－1、电阻R₁、R₂，电容C₁、C₂，二极管D₁、D₂构成的自激振荡器，其输出分别连接分频器I_1－2和由与非门I_2－1～I_2－3组成的逻辑电路，极棒电容C_i一端接地线，另一端接开关I_3－1与I_3－3的串联点K处，基准电容C₀一端接地线，另一端接开关I_3－2与I_3－4的串联点L处。

3、如权利要求1所述的船用便携式液位测量装置，其特征是所述的T／V转换电路包括由运放I_4－1、三极管BG₂、电阻R₇、电容C₃组成的恒流源充电回路，由三极管BG₁、电阻R₄～R₆组成的倒相器，由运放I_4－4、电阻R₁₃～R₁₈组成的比例减法器电路及由运放I_4－2、I_4－3组成的二组跟随器输出级等，其中开关I_5－1并联在电容C₃两端即G点与地线之间，峰值检波二极管D₃的正极接G点，负极接J点，调零电位器W₁串接在基准输出回路里。

4、如权利要求1所述的船用便携式液位测量装置，其特征是所述的铝管〔10〕长600mm，内径18mm。芯棒〔5〕长600mm，直径3mm。

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