光纤自动平衡液位计的制作方法

文档序号:6083249阅读:188来源:国知局
专利名称:光纤自动平衡液位计的制作方法
技术领域
本实用新型涉及一种液位检测装置,特别是一种光纤自动平衡液位检测装置。
实用新型专利CN85202562U介绍了一种光纤液位计,它由浮子、齿盘、钢索、重锤、光纤对、光电转换及放大电路和逻辑电路等组成。当液面高度变化时,浮子带动钢索,使计数齿盘转动,每转过一个齿,切断一次光路,发出一个光脉冲,表示液位变化一个单元。这种液位计的缺点是只能相对计数,而不能测定液面的绝对高度。其次,钢索质量对浮子浮力的影响较大,若不作某些修正,则测量精度较低。
实用新型专利CN87201257U介绍了另一种能进行绝对测量的光纤液位计。它除了包括浮子、导带轮,重锤,光电转换及放大电路和逻辑电路等外,还包括按游标卡尺原理作绝对编码和相对编码的编码带和多对光纤有规律排列而构成的扫描头。当液位变化时,扫描头中多对光纤感受编码带上的绝对码信号和相对码信号,经逻辑电路反映液位的升降值。这种液位计能解决液位连续变化时的绝对测量问题。然而,如果在液面静止时开机,或在液位计运行中一旦停电后再开机时扫描头正好处在编码带两个绝对码孔之间,则液位计显示的高位数将出现差错。并且,这种编码带的制作是相当繁复的,因而其实用性受到限制。
于是,本实用新型的目的是提供一种能连续进行绝对测量的、高精度的光纤自动平衡液位计。
本实用新型的另一目的是提供随时按需检测储液罐群中任一储液罐的绝对液位的光纤自动平衡液位计。
本实用新型是以如下方式实现的。它包括由浮子、测长钢丝、绕线鼓轮和主导轴组成的液位变化感知单元;由齿轮和与其同轴的发条弹簧组成的浮力自动平衡机构;由角位移-线位移传递机构、与主导轴相配合的丝杆、低位圆码盘及其光纤编码器、高位平码盘及其光纤编码器和传输光缆组成的信号编码发送单元共三部分组成的液位计本体,以及由模数转换电路、逻辑电路和微型计算机依次连接而组成的用于信号接收、处理和显示的检测单元,还包括光源。其中角位移-线位移传递机构包括一对推力轴承、两条与主导轴平行的内导轨及其侧板以及与两条内导轨分别配合的两条外导轨。绕线鼓轮、推力轴承及低位圆码盘均套装在主导轴上。在主导轴一端有与齿轮啮合的直齿轮。上述一对推力轴承夹持内导轨一侧板,内导轨外侧有导槽和滚珠与外导轨相联。低位圆码盘的光纤编码器和高位平码盘固定在内导轨上,在推力轴承的作用下,它们随内导轨一起沿外导轨作平动。高位平码盘的光纤编码器则固定在丝杆支架上,静止不动。上述低位圆码盘的光纤编码器和高位平码盘的光纤编码器分别由设置在低位圆码盘和高位平码盘两侧平行排列、并一一对置的位于同一平面的多对组成输入光缆的信号发射光纤和组成传输光缆的信号接收光纤组成。如此,当待测储液罐的液位升降时,浮子跟着升降,使主导轴失去平衡而转动,并在丝杆作用下平移。低位圆码盘便同时转动和平动,高位平码盘也在角位移-线位移传递机构作用下平动,从而使光纤进行非接触式编码。已编码的光信号通过传输光缆送入检测单元,进行处理后由计算机计算和显示储液罐的液位绝对值。
本实用新型由于采用了高低位码盘同步检测、自动排线,并且逻辑电路具有自错误判别和纠正能力,微型计算机又可对温度等外界因素引起的测量误差进行修正,在配合扁平的浮子、极细的测长钢丝、大直径的绕线鼓轮和精密的传动机构后,其整机分辨率达0.5毫米,测量范围可为0-30米,在液体比重为1、液位动态范围为0-10米的情况下,可达到±1mm的高精度。
本实用新型还可在检测单元的逻辑电路和微型计算机之间接入储液罐自动切换电路,通过该电路,可由一台微型计算机随时按需显示各自配置液位计本体及模数转换电路和逻辑电路的不同储液罐的液位绝对值。另外,由于用光缆传输信号,检测单元和光源可远离现场,因此本装置适用于易燃,易爆和强电磁干扰的环境。
以下结合附图对本实用新型的最佳实施例加以详细描述。


图1为本实用新型的外形示意图。
图2为本实用新型的液位计本体的结构原理图。
图3为高位平码盘的光纤编码器结构示意图。
图4a、4b分别为本实用新型一个实施例中低位圆码盘和高位平码盘的循环码。
图5为本实用新型用于单个储液罐液位检测的检测单元的电路原理图。
图6为本实用新型用于单个储液罐液位检测的流程框图。
图7为本实用新型用于储液罐群液位检测时的流程框图。
图8为本实用新型用于两个储液罐液位检测的实施例的检测单元的电路原理图。
如图1所示,本实用新型光纤自动平衡液位计包括壳体27、底座26、穿越底座26的测长钢丝2和浮子1。在壳体27侧壁引出一根总光缆30。它由传输光缆17和输入光缆18组成。传输光缆17和输入光缆18的一端分别与检测单元29和光源28连接。所以,只要光缆足够长,检测单元29和光源28便可远离测试现场。
参见图2,它是液位计本体31的结构原理图。除了浮子1、测长钢丝2和光缆17、18外,其余构件均位于上述壳体27中。液位计本体31包括液位变化感知单元、浮力自动平衡机构和信号编码发送单元。其中液位变化感知单元由浮子1、测长钢丝2、绕线鼓轮3和主导轴7组成。浮力自动平衡机构由齿轮6和与它同轴设置的发条弹簧5组成。主导轴7一端有与齿轮6啮合的直齿轮4,其另一端穿过与主导轴7平行的内导轨9a、9b的侧板9c,其上再固定一只与之同轴心的低位圆码盘10,它是液位低位计数码盘,它包含多道,例如8道循环码。主导轴7该端的端部有与之同轴相配的丝杆15。丝杆15的另一端固定在支架16上。在主导轴7上位于内导轨侧板9c的两边设置一对推力轴承8,为了提高检测精度,它们最好使用精密推力轴承。内导轨9a、9b分别与外导轨12a和12b通过嵌置在与主导轴7平行的两条导槽里的滚珠(图中未示出)进行导向滑动。在内导轨9a和9b上分别固定低位圆码盘的光纤编码器11和高位平码盘21,后者是液位计高位计数码盘。它也包含多道,例如7道循环码。低位圆码盘的光纤编码器呈ㄇ形结构,其中间空隙用以插入部分低位圆码盘10,而其对置的两侧端部平行地排列10对信号发送光纤13和信号接收光纤14。高位平码盘的光纤编码器设置在一固定支架上,在本实施例中,为了使结构紧凑起见,该固定支架与丝杆15的支架16合二为一,故用同一标号16表示,它也呈ㄇ型,其中间空隙供高位平码盘21平移地通过,而其对置的两侧壁上平行排列7对信号发送光纤20和信号接收光纤19。参见图3,它显示了高位平码盘的光纤编码器16中光纤对的排列方式。其中7对信号发送光纤20和信号接收光纤19相互对置地平行排列,每对光纤端面间距约为2-4mm,光纤间距约为2-5mm,以出射光互不干扰为准。低位圆码盘的光纤编码器11的结构与高位平码盘的光纤编码器16的结构相似。上述信号发送光纤13和20组成输入光缆18,从而可传输来自光源28的光。而信号接收光纤14和19组成传输光缆17,它们分别接收信号发送光纤13和20发射的光,并经传输光缆17传输到检测单元29。上述一对推力轴承8、内导轨9a、9b及其侧板9c以及外导轨12a和12b构成角位移-线位移传递机构,而角位移-线位移传递机构、丝杆15、低位圆码盘10及其光纤编码器11,高位平码盘21及其光纤编码器16组成了信号编码发送单元。
图4a和4b分别是低位圆码盘和高位平码盘上的通常的循环码,在本实施例中,低位循环码为8道循环码,高位循环码为7道循环码。
图1所示的检测单元29包括依次连接的模数转换电路22、逻辑电路23和微型计算机25。图5是对单个储液罐作液位检测的检测单元的电原理图。其中模数转换电路常规地包括一个光电二极管41和一个电平比较器42如SF339。当已编码的明暗光信号经光电二极管41接收就产生光电流,经比较器42比较后,输出“1”或“0”信号,完成模数转换。逻辑电路24由基本门电路CC74HC00。CC74HC02、CC74HC04、CC74HC10、CC74HC20和CC74HC86,以及一个在高位平码盘进位时完成码道奇偶校验的奇偶校验器,例如CC74HC280组成,它能起自错误判别与纠正的作用。微型计算机25可采用如TP801型。
图6所示是应用本实用新型对单个储液罐作液位检测的流程图,图中还清楚地显示了液位计本体31的构成。
测量时,液位计本体31安装在储液罐顶部,浮子1和测长钢丝2伸入储液罐内。若液面静止,则浮子1不动,主导轴7所受合力矩为零,整个机构处于自动平衡状态。计算机25显示液位初始绝对值。当液面上升时,浮子1和测长钢丝2上升,主导轴7所受合力矩不为零,浮力自动平衡机构中的发条弹簧5的弹力通过齿轮6带动主导轴7、绕线鼓轮3和低位圆码盘10转动,使测长钢丝2收紧。同时通过丝杆15的作用,主导轴7还有轴向平动。这种复合运动通过角位移-线位移传递机构的推力轴承8使内导轨9,从而使固定于其上的平码盘21沿外导轨12作相应的平动。此时,低位圆码盘的光纤编码器11和高位平码盘的光纤编码器16上的多对收发信号的光纤13,14和20,19进行非接触式编码。已编码的光信号通过传输光缆17送入模数转换电路22进行模数转换。然后把信号输入逻辑电路23进行自错误判别与纠正。纠正后的正确信号输入微型计算机进行处理,显示待测储液罐液位的绝对值。
当液位下降时,上述各可动部件的动作方向正好相反,而检测过程则完全相同,因而不再赘述。
上述单只储液罐液位检测的流程如图6所示。
如果需要随时检测储液罐群中第n个储液罐的液位,可如图7所示,对每个储液罐配置液位计本体和模数转换电路22及逻辑电路23,并在微型计算机25和所有逻辑电路23之间接入储液罐自动切换电路24,如此,通过储液罐自动切换电路24,便可有选择地检测某一储液罐的液位绝对值。
图8所示是本实用新型用于两个储液罐液位检测的一个实施例的检测单元的电路原理图。将图8和图6作比较,来自两个储液罐的经模数转换和自错误判别纠正后的信号不是直接输入微型计算机,而是经储液罐自动切换电路24再进入微型计算机25,储液罐自动切换电路可采用数据选择器47外接振荡器48组成,用以控制切换频率。振荡器48可采用例如CC74HC00,而数据选择器47的型号视储液罐数目而定,对于本实施例两个储液罐的情况,可选用常规的二选一数据选择器CC74HC157。
本装置为了完成液位的绝对测量,采用了高低位码盘同步检测技术和自错误判别及纠正措施。由于低位圆码盘只能在0-360°一圈内绝对计数,因此必须配置高位平码盘来记录低位圆码盘的转动圈数,从而完成整个量程内的液位绝对测量。这里关键在于必须保证低位园码盘的转动和高位平码盘的平动同步,而且高位平码盘的平动线位移与低位圆码盘的转动角位移严格相对应。本装置中,这是通过丝杆和角位移-线位移传递机构来实施的,而同步检测的精度则由推力轴承和丝杆的精度决定。
为了提高液位计的测量精度,本实用新型在设计中采用了1扁平的浮子。因为在同样浮力下,如果浮子截面积增加,浮子吃水量就减小,从而使因液体比重变化而引起的浮子吃水量的变化也相对减小,这样就提高了测量精度。此外还使储液罐零位的定标更接近实际值。一般使用直径150-400毫米,高10-15毫米的浮子。2.极细的测长钢丝。钢丝细,就减小了其自身质量对浮子浮力的影响,若与扁平浮子相配合,这种影响可不加修正。并且极细的测长钢丝更有利于在绕线鼓轮上自动排线。一般使用直径0.2-0.8毫米的测长钢丝。3.大直径绕线鼓轮。绕线鼓轮的直径大,曲率小,就能使测长钢丝紧贴其柱面,从而使测长钢丝的每一圈周长更接近设计的定值,同时也减小了全量程的累计误差,从而提高了测量精度。此外还有利于减小钢丝附加力矩,延长钢丝使用寿命。绕线鼓轮的直径可根据液位计量程、分辨率以及整机结构来确定,一般取100-250毫米。4.使丝杆的螺距等于或大于测长钢丝的直径。因为当液面升降时,主导轴和绕线鼓轮由于丝杆的作用产生轴向位移,这正好实现了测长钢丝在绕线鼓轮上的自动排线。而当丝杆螺距等于或大于测长钢丝直径时,便能消除绕线鼓轮绕线不齐或重迭等现象引起的误差。5.液位计本体的壳体、轴、支和导轨等用铸造工艺形成一体化的结构,以保证轴孔同心度和导轨平行度,使结构稳定、装配容易,提高了装置的系统精度。6.多对光纤耦合技术。如图3所示,多对收发信号的光纤平行排列。光纤对通过V型槽耦合,每条V型槽最好采用特制刀具一次加工完成。并使各V型槽内的光纤处于用一平面内,从而从结构上保证误读率降至最低。
权利要求1.一种光纤自动平衡液位检测装置,它包括由液体变化感知单元、浮力自动平衡机构和信号编码发送单元组成的液位计本体31、检测单元29和光源32,上述检测单元包括模数转换电路22、逻辑电路23和微型计算机25,其特征在于上述液位感知单元包括浮子1、测长钢丝2、绕线鼓轮3和主导轴7,上述浮力自动平衡机构包括同轴设置的齿轮6和发条弹簧5,上述信号编码发送单元包括由一对推力轴承8和内导轨9a、9b及其侧板9c、外导轨12a和12b组成的角位移一线位移传递机构、与主导轴7同轴相配的丝杆15、低位圆码盘10及其光纤编码器11、高位平码盘21及其光纤编码器16,上述绕线鼓轮3、推力轴承8和低位圆码盘均安装在主轴7上,主导轴7的一端有与齿轮6啮合的直齿轮4,上述一对推力轴承8夹持内导轨侧板9c,上述低位圆码盘光纤编码器11和高位平码盘21分别固定在内导轨9a和9b上,上手低位圆码盘的光纤编码器11和高位平码盘的光纤编码器16分别由设置在低位圆码盘10和高位平码盘21两侧平行排列并一一对置的位于同一平面的多对信号发送光纤13和20和信号接收光纤14或19组成,上述信号发送光纤13和20组成输入光缆18,与光源32连通,上述信号接收光纤14和19组成传输光缆17,与模数转换电路22连通。
2.按照权利要求1所述的液位检测装置,其特征在于,上述检测单元29还包括连接在上述逻辑电路23和微型计算机25之间的储液罐自动切换电路24,并且,上述液位计本体31、模数转换电路22和逻辑电路23同为一个或一个以上。
3.按照权利要求1或2所述的液位检测装置,其特征在于上述浮子1采用扁平结构,其直径为150-400毫米,其高度为10-50毫米。
4.按照权利要求1或2所述的液位检测装置,其特征在于上述绕线鼓轮3的直径为100-250毫米。
5.按照权利要求1或2所述的液位检测装置,其特征在于上述测长钢丝2的直径为0.2-0.8毫米。
6.按照权利要求1或2所述的液位检测装置,其特征在于上述丝杆15的螺距等于或大于上述测长钢丝2的直径。
7.按照权利要求1或2所述的液位检测装置,其特征在于上述多对信号发送光纤13、20和信号接收光纤14,19中每一对光纤的端面间距为2-4毫米,光纤间距为2-5毫米,收发光纤对以V型槽耦合。
专利摘要本实用新型提供一种光纤自动平衡液位检测装置,它包括液位感知单元、浮力自动平衡机构、信号编码发送单元和检测单元。其中信号编码发送单元采用高低位码道同步检测技术和非接触式光纤编码,具有自错判别和纠正能力。通过光缆把信号输入远离现场的检测单元,完成信号的模数转换、逻辑判别、液罐自动切换及微型计算机计算和显示。本装置能连续并高精度地检测储液罐群中各液罐液位的绝对值。在液体比重为1时,0-10米的精度为±1毫米。
文档编号G01F23/40GK2056750SQ88221289
公开日1990年5月2日 申请日期1988年12月16日 优先权日1988年12月16日
发明者千成剑, 肖宇元, 刘烈, 朱卫祖, 陈瑄, 龚志敏 申请人:上海工程技术大学
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