专利名称：一种单光纤跟踪式高精度液位连续测量方法
技术领域：
本发明属于测控技术领域，是一种基于光纤受抑全内反射传感的高精度液位连续测量方法，涉及到石油化工工业中液体液位的精确测量和控制。
背景技术：
光纤传感器相对传统电学传感器有许多优点，如检测灵敏度高，抗电磁干扰及本质安全等，近年来在航空航天和石油化工工业得到广泛应用。目前石化工业的液位连续测量大多采用测量压强换算液位的方法，这种方法存在测量结果易受液体密度变化影响以及传感器长期漂移的影响，难以实现高精度测量。另一种方法是利用光纤受抑全内反射传感器测量液位，如专利(95231166.6)和专利(00252608.5)，虽然该类传感器有很高的定位精度，但通常只能进行分立式间断测量或作定点报警或控制。
发明内容
本发明的目的是结合单光纤受抑全内反射液位传感器的高灵敏度的特点和微机控制的饲服系统的精确机械定位和跟踪技术，提供一种新的高精度、无漂移、连续和直接测量液位的方法。
本发明的技术方案是，采用电弧熔融拉锥或者光学研磨的方法在普通多模通信光纤的端部直接制作圆锥尖形的气液两相界面传感头，使传感头反射回的气液两相信号对比度超过10dB。为了实现液位连续测量，需要将传感头安装到一个微机控制的能够精确定位的伺服机构上，该饲服机构主要由微型步进电机、螺杆、滑块、带导槽的套管和防爆外壳组成。传感头固定在滑块上，由步进电机-螺杆-滑块和导槽机构驱动，根据光纤传感头反馈回的光信号强度确定传感头的运动方向，动态跟踪液面，每当传感头接触液面时，计算机即计算和显示出该时刻步进电机位置对应的液面高度。微机控制和测量程序由脉冲发生和计数、脉冲数-液位换算和显示、变步长跟踪、上下限报警和历史数据显示、记录等部分组成。
本发明的效果和益处是，由普通多模光纤经电弧熔拉或光学研磨制作的单光纤受抑全内反射传感头，液位探测灵敏度能够达到微米数量级，而且与双光纤受抑全内反射传感头相比，结构和制作工艺简单，可靠性强，成本低，但整个测量系统的测量精度还取决于螺杆、滑块和导槽的机械加工精度。在普通机械加工条件下，整个系统的测量精度可以高于±0.1mm(2m测量范围)。此外，本测量方法是一种直接测量液位的方法，不受液体密度变化的影响，不存在长期漂移问题，可广泛应用于石油化工系统的多种液体的液位测量和控制，特别适用于小型液体罐的液位精确计量。
附图是单光纤跟踪式高精度液位传感器的结构和工作原理示意图。图中(1)微型计算机，(2)步进电机驱动控制、光发射、光接收和电子检测箱，(3)LED光源，(4)PIN光电探测器，(5)1分2光纤耦合器，(6)单芯光缆，(7)5芯安全电缆，(8)铝合金防爆外壳，(9)5相微型步进电机，(10)密封光纤活接头，(11)电机轴-螺杆连接套，(12)螺杆，(13)圆锥形光纤探头，(14)携带光纤探头跟踪液面运动的滑块，(15)带纵向导槽的不锈钢套管，(16)卧式储液罐中的液体，(17)螺杆下端轴承和端盖。
具体实施例方式
以下结合附图详细说明本发明的最佳实施例。
如附图中LED(3)发出的中心波长为850nm的光信号经光纤耦合器(5)、单芯光缆(6)和密封光纤活接头(10)传输到固定在滑块(14)上的光纤传感头(13)。传感头是在普通多模通信光纤的端部用电弧熔拉或者光学研磨的方法制作成的80至90度的圆锥尖。当探头置于空气中时，一部分光可在锥尖端形成全反射，经由同一条光纤(6)和耦合器(5)传输回PIN光电探测器(4)，设该信号的强度为I0；当传感探头置于液体(16)中时，由于液体的折射率高于空气的折射率，使光在传感头处的全反射条件被破坏，大部分光泄漏到液体中，使返回探测器(4)的光信号强度减弱，设为I1。通常对比度R＝10Log(I0/I1)可达到10dB以上，利用返回光强在气液两相界面两侧的明显的差别，即可以分辨出液面的位置。由于光纤尖的敏感尺寸仅为60μm左右，加上光纤尖与液面接触时的吸附作用，该传感头对液面的定位传感精度可达到微米数量级。
需要说明的一点是，由于制作工艺水平的不同，光纤探头尖的角度或形状可能偏离理想的90度圆锥形状，这会引起R值变小，虽然R值在很大的范围内都可以使系统工作，但R值过小会影响系统的可靠性和使用寿命。因此利用电弧拉锥或研磨光纤探头，应尽量使其接近理想90度圆锥形状。
附图中滑块(14)是用来携带光纤探头(13)上下运动跟踪液面的，滑块的运动是通过与步进电机(9)连接的螺杆(12)驱动的，当螺杆转动时，滑块沿套管(15)的导槽上下移动。螺杆的下端由一聚四氟乙烯轴承(17)支撑。微型5相步进电机(9)的最小步进角为0.36度，若采用2m行程的螺杆，螺距为1.25mm，其光纤跟踪液面的最小理论分辨率可达到1.25μm，实际上考虑到螺杆(12)和导槽的机械加工精度以及液体表面张力的影响等因素，实际的液位测量绝对精度可优于±0.1mm，在量程为2m时相对精度可达到±5×10-5。该测量方法的突出特点是液位测量精度高，不存在长期漂移的问题。由于在储液罐内部的光纤探头仅传输nW级的光信号，容器外部的微型步进电机是低电压驱动(24V)的无电刷电机，电机轴与法兰盘间采取了聚四氟乙烯防爆密封结构，属于本质安全型传感器，可应用于石油化工企业多种液体容器的液位精确测量。
权利要求
1.一种单光纤跟踪式高精度液位连续测量方法，是利用将单根多模光纤的端部经过电弧熔拉或者光学研磨的方法制作成的圆锥尖作为传感头，通过结合计算机控制的饲服机构实现液位连续测量，其特征在于驱动光纤传感头运动的饲服机构是由步进电机-螺杆-滑块和带导槽的外套管构成；由传感头反馈信号的强度确定其运动方向，跟踪液面；由传感头经过气液两相界面光反馈信号变化时所对应的步进电机步数计算出液面位置。
全文摘要
一种单光纤跟踪式高精度液位连续测量方法,属于测控技术领域。利用将单根多模光纤的端部经过电弧熔拉或者光学研磨的方法制作成的圆锥尖作为传感头,通过结合计算机控制的饲服机构实现液位连续测量,其特征在于驱动光纤传感头运动的饲服机构是由步进电机－螺杆－滑块和带导槽的外套管构成;由传感头反馈信号的强度确定其运动方向,跟踪液面;由传感头经过气液两相界面光反馈信号变化时所对应的步进电机步数计算出液面位置。本测量方法的实际测量精度在2m量程范围内优于±0.1mm。本方法是一种直接测量液位的方法,不受液体密度变化的影响,不存在长期漂移问题,结构简单,可靠性强,可广泛应用于石油化工系统中的小型液体罐的液位计量和控制。
文档编号G01F23/292GK1352378SQ01138789
公开日2002年6月5日 申请日期2001年12月6日 优先权日2001年12月6日
发明者于清旭 申请人:大连理工大学