专利名称：气动光纤精密液面计的制作方法
技术领域：
本发明涉及液面测量装置，尤其是大型贮油罐的液面自动测量显示装置。
大型贮油罐由于体积巨大(万吨贮油罐1毫米液面就有600～800公斤)，又易燃易爆，因此要求液面测量仪测量精度高、防爆性能好。已知的贮油罐液面测量仪，由现场测量系统和远距离计数显示系统构成。一种吹气式液面计，从贮罐顶通过一根管子向罐底吹入压缩空气，通过测量吹气压力，测出液面的高度，这种液面计测量精度最高只能达到0.5%，但它防爆，所以用户在无其他选择的情况下仍普遍使用这种液面计。另一种静压式液面计，在贮罐底部装一引出管，测量罐底压力以反映液面高度，这种液面计测量精度也只能达到0.5%，而且它仍有电源接入测量现场，仍存在爆炸危险。综上所述，已知的大型贮油罐液面测量仪，防爆性能和测量精度远达不到用户要求。
本发明的目的就是提供一种能自动测量显示、测量精度高、无爆炸危险的液面测量仪。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明由变送装置和信号处理系统构成，变送装置是一闭环测量系统，一般放置于被测贮罐罐顶，以压缩空气为动力，包括浮标、钢丝绳、卷绳轮、比较杠杆、阻尼器、自校装置、光盘码盘，以及由两个对称放置的喷嘴挡板放大器、两个气动功率放大器、气马达、减速器构成的驱动回路，比较杠杆由铰链支撑，钢丝绳一头连接浮标，中间跨绕在比较杠杆上，另一头固定并卷绕在卷绳轮上，比较杠杆的转动控制两个喷嘴挡板放大器挡板的转动，喷嘴挡板放大器的输出经对应的气动功率放大器放大后，推动气马达正向或反向旋转，气马达输出轴与减速器输入轴相连，卷绳轮和光编码盘同轴，装在减速器输出轴上，光编码盘上开有小孔，有一光源，发出的光通过发射光纤传输到光编码盘上的小孔的一侧，从光编码盘上的小孔的另一侧输出随着光编码盘转动而变化的光信号，通过放在编码盘小孔另一侧的接收光纤送到远离测试现场的信号处理系统。
变送装置中光编码盘上沿其园柱面等距离地开有两圈方形小孔，小孔可以是正方形也可以是长方形的，左侧一圈孔各孔的一个边缘对准右侧一圈孔各孔的中心线，左侧各孔的另一个边缘对准右侧相邻两孔之间的中心线，两条发射光纤放在光编码盘的一侧，两条接收光纤放在光编码盘的另一侧，发射光纤与接收光纤的中心对应，并对准光编码盘上的小孔。
为了在光纤远端获得较大的功率，除尽量改善耦合效果外，应采用较高亮度的光源，如激光器等。
变送装置中的卷绳轮用镍钢(36%，Ni)制造而成。
变送装置中的减速器为蜗杆蜗轮减速器。
变送装置中的自校装置由定值器、自校开关和波纹管组成。
变送装置中的两个喷嘴挡板放大器的喷嘴挡板是对称放置在比较杠杆的两侧。
本发明的变送装置以压缩空气为动力，采用浮标、卷绳轮、钢丝绳直接测量，用光编码盘采集信号，用光纤传输信号，使电源、光源和信号处理系统远离测试现场，使得液面计无爆炸危险。根据本液面计的设计方案，在卷绳轮直径确定之后，液面计的最低分度值决定于光编码盘上的孔数，只要选择好卷绳轮直径和光编码盘上孔数的合适参数，并保证足够的加工精度，可使液面计具有足够高的测量精度，按理论测算，本液面计的绝对误差可以小于±1毫米，而且可做到远距离自动显示、记录和自校。
以下结合附图描述本发明的一个实施例。
图1，本发明系统原理图;
图2，光编码盘结构放大示意图;
图3，图2的A向视图;
图4，图2的B-B剖面;
图5，图2的C-C剖面;
图6，光编码盘正向旋转时，接收光纤(33)D点、接收光纤(34)F点接收到的光脉冲波形图;
图7，光编码盘反向旋转时，接收光纤(33)D点、接收光纤(34)F点接收到的光脉冲波形图。
参照图1、2、3、4、5，(4)是主轴，(7)是减速器，(5)、(6)分别是减速器(7)的蜗轮、蜗杆。蜗轮(5)装在主轴(4)上，主轴(4)一端装有光编码盘(37)，另一端装有卷绳轮(3)，比较杠杆(23)由铰链(26)支撑，其上装有压杆(22)。比较杠杆(23)左端下方有一阻尼器(24)，用以增加系统稳定性。右端下方有一平衡拉簧(25)，右端上方有一个由波纹管(27)、定值器(28)、自校开关(29)构成的自校装置(30)。钢丝绳(2)连接浮标(1)跨绕在比较杠杆(23)上，并作用于比较杠杆(23)，另一头固定并卷绕在卷绳轮(3)上。贮罐(38)液面静止时，液面对浮标(1)产生一定浮力，比较杠杆(23)在钢丝绳(2)和平衡拉簧(25)作用下保持平衡。(9)是气马达，其输出轴(8)与蜗杆(6)同轴，(10)、(11)是两个气动功率放大器，(12)、(13)是两个喷嘴挡板放大器，它们构成一气动驱动回路。喷嘴挡板放大器(12)、(13)的挡板(16)、(17)分别绕铰链(18)、(19)转动，并分别在拉簧(20)、(21)作用下，紧贴压杆(22)的触点，随压杆(22)的转动而转动。(37)是光编码盘，在其园柱面上等距离开有两圈方形小孔(35)、(36)，小孔(35)、(36)的形状、大小相同。发射光纤(31)、(32)放在光编码盘(37)内侧，接收光纤(33)、(34)放在光编码盘(37)外侧，也可互换。发射光纤(31)和接收光纤(33)对准左侧一圈孔(35)中一孔的一个边缘，此时，发射光纤(32)和接收光纤(34)对准右侧一圈孔(36)相邻两孔之间的中心线;发射光(31)和接收光纤(33)对准左侧一圈孔(35)中一孔的另一个边缘时，发射光纤(32)和接收光纤(34)对准右侧一圈孔(36)各孔的中心线。(39)是气源。
图6给出的是，光编码(37)正向旋转时，接收光纤(33)D点、接收光纤(34)F点接收到的光脉冲波形图。图7给出的是，光编码盘(37)反向旋转时，接收光纤(33)D点、接收光纤(34)F点接收到的光脉冲波形图。
本发明的液面计工作原理如下贮油罐内液面静止时，液面对浮标产生一定浮力，比较杠杆处于平衡位置，气马达静止不动。贮油罐内液面变化时引起浮标浮力变化，通过钢丝绳作用于比较杠杆而改变挡板的位置，进而控制气马达正向或反向旋转，经减速器驱动光编码盘和卷绳轮正向或反向旋转，卷绳轮旋转带动钢丝绳使浮标跟随液面变化而升降，直至停留在新的液面上，达到平衡。其工作过程是这样的，当液面下降(或上升)时，浮标被悬空(浮起)，钢丝绳对比较杠杆的作用力增大(或减小)，比较杠杆离开中间位置逆时针(顺时针)转动，使两个喷嘴挡板放大器中的一个(另一个)挡板靠近喷嘴，间隙减小，其背压升高，经功率放大器放大后，推动气马达正向(或反向)旋转，从而带动减速器驱动卷绳轮旋转，使浮标被放下(或提升)，一旦浮标受到的浮力恢复正常，比较杠杆复位，挡板复位，两个喷嘴泄压，卷绳轮停止转动。此过程中卷绳轮放松(卷绕)的钢丝绳的长度即为液面下降(或上升)的高度。与此同时，光编码盘与卷绳轮同轴旋转，光编码盘旋转的角度(即转过的孔数)反映了液面下降(或上升)的高度。
当光编码盘旋转时，每条接收光纤接收到的光信号为连续的光脉冲波形，设两孔之间的脉冲为一个周期(2π)，根据光编码盘上开的方形小孔的位置情况分析得出，左右两条接收光纤接收到的光脉冲波形相差1/4周期(π/2)，当被测液面降低时，光编码盘正向旋转，接收光纤(33)接收到的光脉冲波形比接收光纤(34)接收到的光脉冲波形超前1/4周期(π/2);当被测液面升高时，光编码盘反向旋转，接收光纤(34)接收到的光脉冲波形比接收光纤(33)接收到的光脉冲波形超前1/4周期(π/2)，图6、图7为光编码盘正、反向旋转时接收光纤接收到的光脉冲波形示意图。上述光脉冲波形信号通过接收光纤传输到远离测试现场的信号处理系统进行处理，信号处理系统包括光电转换电路，位移辩向电路、可逆计数器、数字显示仪表、电源等。首先将接收到的光脉冲信号通过光电转换电路变为与光脉冲波形相同的电脉冲信号，然后将该电脉冲信号送到位移辩向电路，位移辩向电路由R-S触发器和与非门逻辑电路组成，该电路利用了上述接收光纤(33)、(34)接收到的光脉冲波形信号相差1/4周期(π/2)这个特征，产生辩别出光编码盘旋转方向的方向信号，作为控制信号送到可逆计数器的加法母线和减法母线，控制可逆计数器作加法计数或减法计数，同时位移辩向电路产生光编码盘旋转的孔数的计数脉冲信号，送到可逆计数器进行计数。可逆计数器的输出经译码后用数字显示仪表显示出来，仪表显示的数字即为被测液面的高度。具体设计的一种方案为，光编码盘(37)园柱面上等距离开有的两圈方形小孔各为250个，主轴每旋转一周，卷绳轮使钢丝绳移动的长度是250毫米，光编码盘发出250对脉冲，每对脉冲代表1毫米。这样液面每升高1毫米，可逆计数器加1，液面每降低1毫米，可逆计数器减1，即液面计最小分度值为1毫米。可逆计数器设有人工预置装置，在进行仪表自校时使用，如仪表显示的数字不合要求，则用人工调整的方法将数字调整到合乎要求。
自校装置用以校对贮罐的最高液面，打开“自校开关”，定值器向波纹管充气，波纹管伸长，其自由端接触比较杠杆，并对比较杠杆施加一个力。比较杠杆发生顺时针转动，通过喷嘴挡板放大器，功率放大器控制气马达驱动卷绳轮旋转，徐徐提升浮标，当浮标升至与罐内顶面接触时，浮标运动受阻停止。钢丝绳的拉力克服了波纹管的作用力，比较杠杆逆时针转动，挡板离开喷嘴，喷嘴泄压，气马达停止转动。卷绳轮通过钢丝绳作用于比较杠杆的力与波纹管对杠杆的作用力相平衡。此时，显示仪表应显示出贮罐最高液面数字。如仪表显示的数字不符合要求，可在信号处理系统中的可逆计数器上人工预置。
“自校开关”关上后，波纹管泄压，对杠杆作用力消失，比较杠杆产生逆时针转动，卷绳轮通过钢丝绳放下浮标。下降至实际液面时，浮标受一定浮力，钢丝绳对比较杠杆作用力减少，挡板离开喷嘴，喷嘴泄压，系统停止运动，显示仪表显示出实际液面高度的数字。
权利要求
1.气动光纤精密液面计，由变送装置和信号处理系统组成，其特征在于变送装置是一个闭环测量系统，包括浮标(1)、钢丝绳(2)、卷绳轮(3)、比较杠杆(23)、自校装置(30)、光编码盘(37)、气源(39)以及由两个对称放置的喷嘴挡板放大器(12)、(13)，两个气动功率放大器(10)、(11)、气马达(9)、减速器(7)构成的驱动回路，比较杠杆(23)由铰链(26)支撑，钢丝绳(2)一头连接浮标(1)，中间跨绕在比较杠杆(23)上，另一头固定并卷绕在卷绳轮(3)上，比较杠杆(23)的转动控制两个喷嘴档板放大器(12)、(13)的挡板(16)、(17)的转动，喷嘴挡板放大器(12)、(13)的输出经对应的气动功率放大器(10)、(11)放大后推动气马达(9)正向或反向旋转，气马达(9)的输出轴(8)为减速器(7)的输入轴，卷绳轮(3)和光编码盘(37)同轴装在减速器(7)的输出轴(主轴)(4)上，光编码盘(37)上开有小孔(35)、(36)，有一光源发出的光通过发射光纤(31)、(32)传输到光编码盘(37)的小孔(35)、(36)的一侧，从光编码盘(37)的小孔(35)、(36)的另一侧输出随着光编码盘(37)旋转而变化的光信号，通过接收光纤(33)、(34)送到信号处理系统。
2.根据权利要求1所述的气动光纤精密液面计，其特征在于所述的光编码盘(37)上沿其园柱面等距离地开有两圈方形小孔(35)、(36)，左侧一圈孔(35)各孔的一个边缘对准右侧一圈孔(36)各孔的中心线，左侧各孔(35)的另一个边缘对准右侧相邻两孔(36)之间的中心线，两条发射光纤(31)、(32)放在光编码盘(37)一侧，两条接收光纤(33)、(34)放在光编码盘(37)的另一侧，发射光纤(31)、(32)与接收光纤(33)、(34)的中心对应，并对准光编码盘(37)上的小孔(35)、(36)。
3.根据权利要求1所述的气动光纤精密液面计，其特征在于所述的卷绳轮(3)是用镍钢(36%，Ni)制造而成。
4.根据权利要求1所述的气动光纤精密液面计，其特征在于所述的减速器(7)是蜗杆蜗轮减速器。
5.根据权利要求1所述的气动光纤精密液面计，其特征在于所述的自校装置(30)由定值器(28)、自校开关(29)和波纹管(27)构成。
6.根据权利要求1所述的气动光纤精密液面计，其特征在于所述的两个喷嘴挡板放大器(12)、(13)中的喷嘴(14)、(15)，挡板(16)、(17)是对称放置在比较杠杆(23)的两侧。
全文摘要
气动光纤精密液面计，由变送装置和信号处理系统组成。变送装置为一闭环测量系统，以压缩空气为动力，采用浮标、钢丝绳、卷绳轮直接测量，其测量信号经光编码盘转变为光信号，由光纤传输到信号处理系统，将光信号变为电信号，经过处理，用显示仪表将反映液面高低的数据显示出来。本液面计做到无电源引入测试现场，因而无爆炸危险，而且测量精度高，绝对精度可小于±1毫米，可广泛用于贮油罐的液面测量。
文档编号G08C19/36GK1074035SQ9211165
公开日1993年7月7日 申请日期1992年10月20日 优先权日1992年10月20日
发明者胡德进 申请人:胡德进