一种玻璃板液位计以及液位测量方法与流程

1.本发明属于液位测量技术领域，涉及一种玻璃板液位计以及液位测量方法。


背景技术：

2.在石油化工炼厂装置区域的设备上，需要玻璃板液位计来显示液位，透光式玻璃板液位计是应用最为普遍的一种。当被测介质为透明液体、光线透过液柱时，光线被反射、折射或吸收，透过液柱的光线强度比透过液柱上方气相的光线强度弱；依靠透过液柱和气相的光强度差，操作工来分辨液位。当距离稍微远一点，或者阴天、夜间光线比较暗时，光强度差别不大，判断液位比较困难。玻璃板液位计使用时间较长时，玻璃板内壁比较脏，光线透过的强度减弱，分辨液位也不容易。操作工有时甚至还需要在玻璃板液位计面前关闭一下根部阀，使液位明显波动一下才能看清液位。
3.提高玻璃板液位计视觉的敏感性是一种解决方案，常用的方法是使用红绿双色色差来分辨液位；利用全反射原理、液柱与其上方气相介质相对于玻璃的折射率不同，使液柱与气相分别显示出背景中玻璃滤光片的红绿颜色。但是该方法仅适用于强光背景；背景光线比较暗或弱时，红绿颜色在暗色背景下本来就不醒目，再加上滤光片对光线的吸收，光强度减少更多。阴天或晚上的观测效果也不好。
4.也有的玻璃板液位计采用专用外加光源、强制增加背景光强度(尤其是锅炉水位计)，不依赖自然光和工厂照明灯光，这样玻璃板液位计的体积将很大。玻璃板的后部要加防爆灯并安装灯的外壳，造价也比较高。因为要引入220v交流电，需要考虑防爆；还需要拉电缆，施工量大。防爆灯使用寿命也有限，24小时全天一直开灯使故障率高，经常需要维修；防爆外壳也存在着安全隐患。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种玻璃板液位计以及液位测量方法，以解决现有的玻璃板液位计分别存在的不容易看清液位、需采用专用外加光源等问题。
6.为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种玻璃板液位计，设有前玻璃板、后玻璃板、前压盖、后压盖、前夹紧架、后夹紧架，前压盖上设有导视孔，后压盖上设有观测孔，导视孔与前玻璃板入射面相对，观测孔与后玻璃板射出面相对，前玻璃板、后玻璃板、前夹紧架和后夹紧架围出测量腔，前玻璃板与测量腔相邻的表面为前玻璃板射出面，后玻璃板与测量腔相邻的表面为后玻璃板入射面，前夹紧架与测量腔相邻的表面为前夹紧架内表面，后夹紧架与测量腔相邻的表面为后夹紧架内表面，其特征在于：测量腔在水平剖切面上的形状为梯形，前玻璃板射出面和后玻璃板入射面与水平剖切面的交线为梯形的两个腰，前夹紧架内表面和后夹紧架内表面与水平剖切面的交线为梯形的两个底边，后夹紧架内表面与水平剖切面的交线的长度大于前夹紧架内表面与水平剖切面的交线的长度。
7.使用上述玻璃板液位计进行液位测量的方法，其特征在于：玻璃板液位计外部的光线经导视孔射到前玻璃板入射面，再进入前玻璃板并通过前玻璃板，之后从前玻璃板射
出面射出、进入测量腔，测量腔的下部为液柱、上部为气相，光线进入液柱时形成第一路光线，进入气相时形成第二路光线，第一路光线通过液柱，第二路光线通过液柱上方的气相，之后两路光线分别从后玻璃板入射面进入后玻璃板并通过后玻璃板，再从后玻璃板射出面上的不同位置射出，第一路光线通过观测孔射出，在观测孔的出口处，人眼迎着第一路光线的来光方向可观看到第一路光线形成的竖直光柱，看不到第二路光线，根据竖直光柱测量出测量腔内液柱的液位。
8.采用本发明，具有如下的有益效果：1、人眼看到的第一路光线形成的竖直光柱较为明亮，其上方为灰暗背景，区分明显。因此可以容易地测量出测量腔内液柱的液位，从而测量出工艺设备内的液位。2、本发明可以使用自然光和工厂照明灯光，无需专用外加防爆光源，安全节能。3、本发明的玻璃板液位计结构比较简单、易于制造。需要的效果及功能依靠光路计算实现。4、本发明使用自然光和工厂照明灯光时不加滤光片，对光线不做任何减弱处理，最大限度地保留原始的光强度。5、本发明对光线的强度要求不高。强度越高，分辨越清晰。当光线强度较低时，因为第一路光线形成的竖直光柱与其上方灰暗背景的光强度差明显，液位同样容易辨识。6、本发明的玻璃板液位计可设计成对称结构，进行双向观测。7、本发明的玻璃板液位计对制造的要求不苛刻。导视孔宽度越大，导视角容错性越强，不影响玻璃板液位计的使用功能。
9.本发明可用于石油化工、冶金、电力、食品和医药等多个行业，测量透明液体的液位。透明液体可以是无色和有色的透明液体。
10.下面结合附图、具体实施方式和实施例对本发明作进一步详细的说明。附图、具体实施方式和实施例并不限制本发明要求保护的范围。
附图说明
11.图1是本发明玻璃板液位计沿竖直方向通过测量腔的剖视图。
12.图2是图1中的t—t剖视图(局部)。
13.图3是使用本发明玻璃板液位计进行液位测量的光学原理图。
14.图4是人眼观看到的第一路光线形成的竖直光柱及其上方灰暗背景的局部示意图。
15.图1至图4中，相同附图标记表示相同的技术特征。附图标记表示：1—前玻璃板；2—后玻璃板；3—观测孔；4—螺栓螺母；5—测量腔；6—前夹紧架；7—前压盖；8—前夹紧架内表面；9—后夹紧架内表面；10—后压盖；11—后夹紧架；12—导视孔；13—前玻璃板入射面；14—密封垫；15—前玻璃板射出面；16—后玻璃板入射面；17—后玻璃板射出面；18—液柱；19—第一路光线；20—第二路光线；21—法线；22—第一路光线19形成的竖直光柱；23—第一路光线19形成的竖直光柱22上方的灰暗背景。
16.a—玻璃板液位计外部的光线射到前玻璃板入射面13的入射角；b—光线从前玻璃板入射面13射入前玻璃板1的折射角；c—前玻璃板射出面15与后玻璃板入射面16之间的夹角；d—第一路光线19从前玻璃板射出面15进入测量腔5内液柱18的出射角；e—第二路光线20从测量腔5内液柱18上方的气相射到后玻璃板入射面16的入射角；f—第二路光线20从后玻璃板入射面16射入后玻璃板2的折射角；g—第二路光线20从后玻璃板射出面17射出的出射角与第一路光线19从后玻璃板射出面17射出的出射角之间的出射角差；h—第二路光线
20从前玻璃板射出面15进入测量腔5内液柱18上方的气相时与前玻璃板射出面15之间的夹角；k—导视孔12的导视角；p—任选的一个外部入射光线计算位置；r—在观测孔3的出口处、第一路光线19形成的竖直光柱22的观测位置。
具体实施方式
17.参见图1和图2，本发明的玻璃板液位计设有前玻璃板1、后玻璃板2、前压盖7、后压盖10和本体，本体设有前夹紧架6和后夹紧架11。前玻璃板1、后玻璃板2、前压盖7、后压盖10、前夹紧架6和后夹紧架11均竖直设置。前压盖7和后压盖10用螺栓螺母4连接。前玻璃板1的一个竖直侧边密封部夹紧于前压盖7与前夹紧架6之间，前玻璃板1的另一个竖直侧边密封部夹紧于前压盖7与后夹紧架11之间；后玻璃板2的一个竖直侧边密封部夹紧于后压盖10与前夹紧架6之间，后玻璃板2的另一个竖直侧边密封部夹紧于后压盖10与后夹紧架11之间；在各夹紧处均设有密封垫14。
18.前压盖7上设有导视孔12，后压盖10上设有观测孔3。导视孔12与前玻璃板入射面13相对，观测孔3与后玻璃板射出面17相对。导视孔12和观测孔3均为竖直的长条形孔，设置多个。各导视孔12在竖直方向上对齐排成一列，各观测孔3在竖直方向上对齐排成一列。每个导视孔12和观测孔3均带有两个侧面、一个顶面和一个底面；侧面竖直设置，顶面和底面水平设置。导视孔12的两个侧面相互平行，观测孔3的两个侧面相互平行。
19.前玻璃板1、后玻璃板2、前夹紧架6和后夹紧架11围出测量腔5。前玻璃板1与测量腔5相邻的表面为前玻璃板射出面15，后玻璃板2与测量腔5相邻的表面为后玻璃板入射面16，前夹紧架6与测量腔5相邻的表面为前夹紧架内表面8，后夹紧架11与测量腔5相邻的表面为后夹紧架内表面9。前玻璃板入射面13与前玻璃板射出面15相互平行，后玻璃板入射面16与后玻璃板射出面17相互平行。
20.测量腔5内处于密封状态，顶部和底部通过管道与需要测量液位的工艺设备连通(图略)。工艺设备内的液体通过管道进入测量腔5的底部并上升，直至测量腔5内的液位高度与工艺设备内的液位高度相同。
21.本发明，测量腔5在水平剖切面上的形状为梯形。前玻璃板射出面15和后玻璃板入射面16与水平剖切面的交线为梯形的两个腰，前夹紧架内表面8和后夹紧架内表面9与水平剖切面的交线为梯形的两个底边(密封垫14与测量腔5相邻的表面，其与水平剖切面的交线分别计入梯形的两个底边)。后夹紧架内表面9与水平剖切面的交线的长度大于前夹紧架内表面8与水平剖切面的交线的长度。
22.本发明的一种优选方案是，测量腔5在水平剖切面上的形状为等腰梯形，通过两个底边中点的竖直平面为玻璃板液位计对称面。前玻璃板1与后玻璃板2之间、前压盖7与后压盖10之间、导视孔12与观测孔3之间，分别相对于玻璃板液位计对称面对称。
23.前玻璃板射出面15与后玻璃板入射面16之间的夹角c一般为30
°
～90
°
。导视孔12的侧面与平行于后夹紧架内表面9的平面之间的夹角为导视孔12的导视角k，导视角k一般为5
°
～25
°
，符号
“°”
表示度。
24.本发明的最优方案是，前玻璃板射出面15与后玻璃板入射面16之间的夹角c、前玻璃板射出面15与后夹紧架内表面9之间的夹角、后玻璃板入射面16与后夹紧架内表面9之间的夹角均为60
°
。
25.导视孔12的宽度u一般为20～30毫米，观测孔3的宽度v一般为20～30毫米，后夹紧架内表面9与水平剖切面的交线的长度一般为30～80毫米。
26.前玻璃板1的厚度和后玻璃板2的厚度一般均为15～30毫米，主要根据测量腔5内液柱18和气相的压力确定。前玻璃板1的厚度在前玻璃板入射面13与前玻璃板射出面15之间测量，后玻璃板2的厚度在后玻璃板入射面16与后玻璃板射出面17之间测量。
27.前夹紧架6、后夹紧架11，前压盖7、后压盖10的材质可为碳钢或不锈钢等，根据测量腔5内液柱18和气相的腐蚀性确定。密封垫14的材质为弹性耐腐蚀材料。
28.参见图3、图4以及图1和图2，使用本发明玻璃板液位计进行液位测量的方法是：玻璃板液位计外部的光线经导视孔12射到前玻璃板入射面13，再进入前玻璃板1并通过前玻璃板1，之后从前玻璃板射出面15射出、进入测量腔5。测量腔5的下部为液柱18、上部为气相。光线进入液柱18时形成第一路光线19(如图3中的粗实线所示)，进入气相时形成第二路光线20(如图3中的双点划线所示)。第一路光线19为主光线，通过液柱18；第二路光线20通过液柱18上方的气相。之后两路光线分别从后玻璃板入射面16进入后玻璃板2并通过后玻璃板2，再从后玻璃板射出面17上的不同位置射出。第一路光线19位于第二路光线20的下方，第一路光线19通过观测孔3射出，在观测孔3的出口处(图3中的位置r)，人眼迎着第一路光线19的来光方向可观看到第一路光线19形成的竖直光柱22，看不到第二路光线20，根据竖直光柱22测量出测量腔5内液柱18的液位。
29.玻璃板液位计外部的光线为自然光(一般为白天的太阳光)和工厂照明灯光(夜间照明灯光)。液柱18中的液相为透明液体。透明液体可以是无色的(例如水、甲醇或乙醇等)，也可以是有色的(例如汽油等)。液柱18上方的气相为空气和/或液柱18中的液相挥发出的气体。
30.参见图3，光线在通过前玻璃板入射面13、前玻璃板射出面15、后玻璃板入射面16和后玻璃板射出面17时均发生折射现象。表示入射角、出射角等各种角的字母的含义，参见附图说明部分的说明。对于各种入射角、出射角等，本发明均简称为角。光线通过前玻璃板入射面13、前玻璃板射出面15、后玻璃板入射面16和后玻璃板射出面17上各点处的法线21，在图3中用虚线表示。
31.可调节导视孔12的宽度u和导视角k，以及观测孔3的宽度v及其侧面与平行于后夹紧架内表面9的平面之间的夹角，保证一直能在观测孔3的出口处(位置r)观看到第一路光线19形成的竖直光柱22。位置r对应于观测孔3的下部。第一路光线19和第二路光线20均为垂直于水平面的平面状，前文所述的出射角差g，实际上也是从后玻璃板射出面17射出的第一路光线19的光面与第二路光线20的光面之间的夹角。第二路光线20从后玻璃板射出面17射出后，一般是投射到观测孔3的一个侧面上，不从观测孔3射出。当有少量的第二路光线20从观测孔3射出时，因为角g的存在以及第一路光线19位于第二路光线20的下方，在位置r迎着第一路光线19的来光方向观看时也只能看到第一路光线19形成的竖直光柱22，看不到第二路光线20。第一路光线19形成的竖直光柱22上方的观测孔3的背景因此是灰暗的，明亮的第一路光线19形成的竖直光柱22与灰暗背景23对比明显，容易观测，参见图4。竖直光柱22的顶部即为液柱18的液位。
32.角c、角d可以调整。当测量腔5在水平剖切面上的形状为等腰梯形，角d与角c为“角d＝90
°‑
(180
°‑
角c)/2＝角c/2”的固定关系时，第一路光线19通过测量腔5内液柱18的部分
与后夹紧架内表面9平行。此时，玻璃板液位计的前玻璃板1与后玻璃板2之间、前压盖7与后压盖10之间、导视孔12与观测孔3之间，分别相对于玻璃板液位计对称面对称；射到并通过前玻璃板1的光线的光路与通过后玻璃板2并从后玻璃板射出面17射出的第一路光线19的光路相对于玻璃板液位计对称面对称，第一路光线19通过液柱18、位于玻璃板液位计对称面两侧的两部分相对于玻璃板液位计对称面对称，第一路光线19从后玻璃板射出面17射出的出射角的数值与角a相同。根据光路可逆原理，导视孔12与观测孔3可以互换使用，即导视孔12用作观测孔3，观测孔3用作导视孔12；这样，在一个位置观测不方便时，可在另一个位置观测。在上述的条件下可计算出角c、导视角k与出射角差g之间的对应关系，见表1。表1中数据的其它计算条件是：测量腔5下部的液柱18为水柱，液柱18上方的测量腔5内充满空气，前玻璃板1和后玻璃板2的材质为石英玻璃。表1中的数据，可参照本发明实施例所述的方法计算。
33.由表1可见，角c越大，角g就越大。当角c减小时，角g减小。当角c为0
°
时，将出现现有的普通透光式玻璃板液位计的视觉效果，是本发明不需要的。
34.在玻璃板液位计外部的光线为白色光的情况下，其由不同波长的多种有色光组成。玻璃板、液柱等对不同波长的光的折射率不同，不同波长的光的出射位置将不同。当光线通过测量腔5下部的液柱18时，如果液柱18中为无色透明液体介质，白色光将发生色散现象。在观测孔3出口处观看到的第一路光线19形成的竖直光柱22将带有彩虹色边缘，彩虹色为红橙黄绿青蓝紫色。人眼对彩虹色光非常敏感，加之彩虹色光因为不用滤光片、最大程度地保留了原光强度，与灰暗背景23对比非常醒目、易于观察，远距离也容易分辨。液柱18越透明，角c越大，彩虹效应越明显。当液柱18的介质为有色透明液体时，竖直光柱22将不会形成上述的彩虹色边缘。但第一路光线19形成的竖直光柱22仍然是亮的，与其上方的灰暗背景23区分明显，仍然易于观测。
35.可以根据测量腔5内气相的折射率、液柱18中液相介质的折射率、前玻璃板1和后玻璃板2中玻璃材质的折射率、空气的折射率以及选定的角c，计算导视角k和出射角差g，以达到分辨液位的最佳效果。角c最好是选择60
°
，此时的色散效果以及其它效果(例如玻璃板液位计的对称性)都比较好。
36.实施例
37.使用本发明的玻璃板液位计进行液位测量，参见图1～图4。测量在白天进行，玻璃板液位计外部的光线为自然光。测量腔5下部的液柱18为水柱，水的折射率为1.333；液柱18上方的测量腔5内充满空气，空气的折射率为1.00029。本发明提到的折射率均为相对于真空的折射率。前玻璃板1和后玻璃板2的材质为石英玻璃，折射率为1.55。测量腔5在水平剖切面上的形状为等腰梯形，前玻璃板1与后玻璃板2之间、前压盖7与后压盖10之间、导视孔12与观测孔3之间，分别相对于玻璃板液位计对称面对称。前玻璃板射出面15与后玻璃板入射面16之间的夹角c、前玻璃板射出面15与后夹紧架内表面9之间的夹角、后玻璃板入射面16与后夹紧架内表面9之间的夹角均为60
°
。
38.sina/sinb＝1.55/1.00029，sind/sinb＝1.55/1.333。角d为角c/2，第一路光线19通过测量腔5内液柱18的部分与后夹紧架内表面9平行。射到并通过前玻璃板1的光线的光路与通过后玻璃板2并从后玻璃板射出面17射出的第一路光线19的光路相对于玻璃板液位计对称面对称，第一路光线19通过液柱18、位于玻璃板液位计对称面两侧的两部分相对于
玻璃板液位计对称面对称。此时，第一路光线19从后玻璃板射出面17射出的出射角的数值与角a相同。
39.第二路光线20从前玻璃板射出面15进入测量腔5内气相的出射角与角a相等，夹角h＝90
°‑
角a。角e＝90
°‑
(180
°‑
角c-角h)，sine/sinf＝1.55/1.00029。第二路光线20从后玻璃板射出面17射出的出射角的数值与角e相同。
40.取角c为60
°
及角d为30
°
时，按照上述方法计算可得，角a＝41.8
°
，角e＝18.2
°
。出射角差g＝角a-角e＝23.6
°
。从位置p发出的入射光线以角k通过导视孔12，角k＝角a-角d＝角a-角c/2＝11.8
°
。
41.如上计算并结合图3可知，同一竖直方向上的外部自然光线进入导视孔12并通过前玻璃板1、测量腔5内的液柱18和气相、后玻璃板2后，从后玻璃板射出面17射出的第一路光线19的光面与第二路光线20的光面之间的夹角g(亦即出射角差g)较大，第二路光线20相对于第一路光线19发生了极大的偏折。在位置r能够清楚地观看到第一路光线19形成的竖直光柱22，无法观看到第二路光线20，竖直光柱22的上方为灰暗背景23。
42.表1
43.角c，单位：
°
(度)角k，单位：
°
角g，单位：
°
00010.01.73.320.03.46.830.05.210.440.07.114.250.09.318.660.011.823.670.014.929.780.018.937.990.025.450.997.239.879.6