专利名称：浮力式液位测量方法及其传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是测量技术，具体说涉及的是一种浮力式液位测量方法及其传感装置。
容器液位是石化、电力、食品等工业生产中的重要被测参数。由于液位测量的误差、失灵、会导致控制系统误动，生产线故障，造成锅炉爆炸，发生容器内液体的跑、冒、漏、进而引起恶性事故，造成经济损失和危及人身安全。公知的液位测量方法及仪表种类很多但均存在一定的缺陷例如①用压力变送器测量液位的方法，引压管易堵、易冻，罐体下部需开孔，难于解决耐蚀、防爆;
②用超声波法测量液位精度低、计量误差大、温度特性差，易受尘埃影响;
③利用电容法测量时，被测液电导变化影响液位测量，干扰信号易窜入;
④采用静压力法测液位只适用于清水介质，使用温度范围小，长时间运行探头难以密封，不耐腐蚀。
⑤浮球法、干黄管法等液位计精度低，可靠性差。
本发明的目的是为解决上述公知技术中液位测量之缺陷，提出一种新的液位测量方法，即浮力液位测量方法及其传感装置。
本发明依据浮力定律原理进行测量。本发明目的是通过下述方法和装置实现的。
方法1。一种浮力式液位测量方法，它包括下列步骤(1)将一悬挂连接在力敏头上的检测杆悬吊在容器中，使检测杆在容器中呈悬垂状态，用电路或仪表检测力敏头受力情况，(2)校正容器空载时，液位高度为零，检测杆所受浮力为零，力敏头受力为检测杆杆身自重，且受力最大，其受力值即校正值Fo，(3)测量容器内装有已知或定比重的液体时，检测杆受液体浮力作用，力敏头受力F测为液位检测杆自重Fo与液体浮力Fx之差，即Fx＝Fo-F测，(4)液位高度计算根据浮力定律Hx＝Fx/s·d计算得出液位高度，式中Hx-液位高度，S-检测杆截面积，d-液体比重，Fx-液位检测杆所受浮力。
方法2。一种浮力式液位测量方法，它包括下列步骤(1)采用两个相同的力敏头，采用材料相同，经配重处理后重量相等的液位检测杆和比重检测杆两个柱体检测杆，两检测杆杆身长度相同，杆身直径相同，但比重检测杆底部还连接有直径大于杆身直径的薄盘，将两个检测杆分别悬吊置於同一容器中，使两检测杆在容器中呈悬垂状态，用电路或仪表检测力敏头受力情况，(2)校正容器空载时，液位高度为零，两检测杆所受浮力为零，两力敏头受力均为相同重量的两检测杆各自的杆身自重，且受力最大，两力敏头受力值分别为校正值Fo，(3)测量容器内装有未知或变比重的液体时，两检测杆分别受液体浮力作用，两力敏头受力分别为各自悬挂的检测杆自重与各自检测杆所受浮力之差，悬挂液位检测杆的力敏头受力为F测1则该检测杆所受浮力Fx1＝Fo-F测1;悬挂比重检测杆的力敏头受力为F测2则该检测杆所受浮力Fx2＝Fo-F测2，(4)液位高度计算根据浮力定律①Fx1＝Hx1·s·d，Fx2＝Hx2·s·d，式中H1为液位检测杆所测液位高度，H2为比重检测杆折算杆长后所测液位高度，S为两柱状检测杆相等的截面积，d为溶液比重②Fx2-Fx1＝(Hx2-Hx1)·s·d亦即△f＝△H·s·d，③Fx1＝H1·s·△f/△H·S＝H1·△f/△H，亦即Hx1＝(Fx1·△H)/△f式中Hx1所测液位高度，Fx1液位检测杆所受浮力值，△H两检测杆折算长度差值为常数，△F两检测杆所受浮力差值，随比重变化而变化。
实现上述方法的测量液位传感装置如下所述。
一种使用方法1所述浮力式液位测量方法专门设计的传感装置，其特征在于，它包括壳体，壳体内固结有力敏头，具有液位检测杆该检测杆悬挂在力敏头上。其中液位检测杆可制成柱体杆。力敏头可采用应变式拉力传感器。
一种使用方法2所述浮力式液位测量方法而专门设计的传感装置，其特征在于，它包括壳体，壳体内固结有两个力敏头，具有液位检测杆和比重检测杆两个检测杆，两个检测杆分别悬挂在两个力敏头受力端上。其中液位检测杆可为柱体，比重检测杆上段柱体直径、材料与液位检测杆相同，比重检测杆下段连接有直径大于上段的薄盘，两个检测杆长度相同，通过配重使两杆重量相等。其中所说的两个力敏头均采用应变式拉力传感器。
需要说明的是在上述方法中，所说的各测量值，校正值均是从力的大小角度来讲的，对讲述一种测量方法来讲是合理的，而事实上由于选用了力敏头这个力-电转换器件其测量值是代表测量力值的电信号，亦即所有的运算过程为代表所测力值的电信号进行运算的，因此实测时需有转换电路板，该转换电路板包括放大、运算，数字显示或表头等电路单元，转换电路还可连接计算机系统以进行信号处理及运算、打字、显示等技术处理，因该部分非本发明的发明点所在且属公知技术，故而本文对此未进行详尽说明，同理为实现该方法而专门设计的装置对电路部分亦未加详细说明，仅仅为传感装置的构造。
用浮力法及传感装置较其它方法测量液位有如下优点，检测杆悬吊在容器中在整个测量过程中为应力传递无机械位移，灵敏度高，测量精度高，其灵敏度及测量精度基本取决于力敏头精度，其液位测量指标达到非线性0.1%F·S，重现性0.1%F·S，滞后0.1%F·S，当被测液体比重为已知或恒定时可采用方法1，用一个检测杆，测量方法简便，测量装置构造简单;当被液体比重未知时或变化时用方法2，采用两个检测杆装置，一方面可剔除因比重变化而造成的液位测量误差，一方面还可通过测值而计算未知液体的比重，所以方法2亦可作为液体比重测量的传感装置。两个检测杆传感装置亦可为液体比重测量的传感装置。另外用本浮力方法测量液位可方便的解决因腐蚀、易爆、高温等造成的液位测量困难，可实时进行比重修正。具有精度高，响应快，抗干扰能力强，安全可靠，维护量小等独特性能。
图1为双检测杆传感装置的构造示意图。
图2为单检测杆传感装置的构造示意图。
图3为本浮力液位测量方法及传感装置的电原理框图。
图4为图3框图展开的电原理图。
参见图1中给出的双检测杆传感装置，其包括液位检测杆(1)、比重检测量杆(2)、密封垫(3)、含油轴封(4)、紧固螺母(5)、连接销(6)、力敏头(7)、转换电路板(8)、液位数字显示表头(9)、壳体门锁(10)、壳体(11)、紧固垫圈(12)、以及容器(13)。两个检测杆(1)、(2)分别悬挂于两个力敏头(7)上，本例中悬挂方式为附图案1所示构造，即使检测杆连接端的凸耳与力敏头受力端的凹耳相嵌合并通过连接销(6)连体。而力敏头(7)固定在壳体(11)之内。其中力敏头(7)是一个力、电转换器，可选用市售产品如Bk-3型应变式拉力传感器，亦可根据现场需要按其工作原理自行设计制作，因其系公知公用技术，具有市售产品故不冗述。其中检测杆一般选用圆柱体为佳，因形体的简单化可给浮力的计算带来方便，当然可根据现场需要设计成其它形体，为解决防腐蚀问题可选用聚四氟乙稀材料制作检测杆，现场允许的情况下亦可选用金属材料制作。两检测杆构造之区别是当检测杆选柱体形状时，比重检测杆(2)下段连接有直径大于上段的薄盘构造。对两检测杆的要求是除比重检测杆(2)的薄盘外之外，两检测杆形状相同，直径相等;两检测杆的长度相同、制作材料相同;通过配重使两检测杆重量相同;配重可在液位检测杆(1)与力敏头(7)悬挂处进行。其中壳体(11)内设置的转换电路板(8)，其功能是一方面把力敏头输出信号转换成4-20mA电流信号输出。另一方面为液位的数字显示表头提供所需的两路电压信号。
参见图2所示单检测杆传感装置，它的构造几乎与双检测杆传感装置一样，差别仅在于它仅有液位检测杆(1)及一个力敏头(7)，而舍去了带薄盘构造的比重检测杆(2)及其与之相连体的力敏头。
关于图(3)所示的电路原理框图的说明两个力敏电桥分别感受两个检测杆所受液体的浮力fx1和fx2，将浮力转换成电压信号，经信号放大器放大输出Vx1和vx2分别经两路电压/电流转换器输出4～20mA标准电流信号，可接入单片机系统进行数据处理。同时Vx1经比例放大器输出△H·Vx1，Vx2和Vx1经减法器运算输出Vx1-Vx2，将△H·Vx1接除法器的信号输入端，将Vx1-Vx2接除法器的基准输入端，除法器输出是△H·Vx1/(Vx1-Vx2)的数字量直接送数字显示器显示液位值。把测量/设定开关K6拨到设定位置时，可设定上、下限报警值，也可设定上、下限控制值。被测液体为定比重时，采用单检测杆(1)，将单杆/双杆切换开关K1切换到单杆位置，除法器基准输入端接到恒定电压源上。
关于图(4)所示的电路原理图的说明R1～R4为力敏电桥(Ⅰ)，R5～R6为力敏电桥(Ⅱ)，u1～u4为LF444运算放大器，其中U1完成对电路输出V测1的放大功能，U2完成对电路输出V测2的放大功能，U3完成运算功能，U4完成上、下限报警和控制的功能;U5是74LS00与非门，由U5构成两个双稳态触发器，一个用于报警输出和解除报警，另一个用于上、下限液位控制，Rw3，Rw1，Rw12为平衡电位器;Rw5，Rw6为输出电流零点(4mA)调整电位器;Rw7，Rw10为电压迁移电位器;Rw9为比例运算电位器;Rw13为单检测杆的基准输入调整电位器;Rw14，Rw15分别为上、下限报警设定电位器;Rw16，Rw17分别为上、下限报警设定电位器;UP3111B为电压数字显示表头;T1，T2为电压电流转换管;T3～T6为开关量输出功率管;ZK1为报警解除按钮;ZK2，ZK3为液面手动控制按钮;K2，K3分别为上、下限报警设定开关，K4，K5分别为上、下限控制设定开关。K1为单/双杆切换开关。
用上述单检测杆、双检测杆的传感装置实现浮力式液位测量方法的测量原理是将检测杆悬吊于容器液体中，检测杆的自重应大于满容器液体对检测杆的最大浮力，随着液位的升高，检测杆所受浮力增大，力敏头受检测杆的自重和浮力的合力减小，反之则力敏头受力增大，其计算公式为Hx＝fx1/s·d;式中Hx为被测液位值;fx1为液位检测杆(1)所受的浮力;d为液体比重;s为检测杆的截面积，这是用单检测杆传感装置对已知或定比重液体液位浮力式测量方法的测量原理。而当被测液体比重变化时，还可用双检测杆传感装置，用两检测杆所受浮力差测得比重，修正因比重变化带来的液位测量误差，其修正公式为Hx1＝△H·Fx1/△f，式中Hx1为实际被测液位值;fx1为液位检测杆(1)所受的浮力;△H＝Hx2-Hx1为两根检测杆折算的长度差值，检测杆设计制造完成后△H为常数;△f＝fx2-fx1为两根检测杆所受浮力差值，随比重变化而变化。经转换电路板(8)和液位数字显示表头(9)进行标度变换，运算后显示液位Hx1的数值。
下面结合附图进一步说明浮力式液位测量方法。
设备置备。参见图(1)及图(2)，通过单检测杆传感装置或双检测杆传感装置的壳体(11)将传感装置固定在容器(13)上面，使检测杆悬垂于容器(13)中，如图(1)，图(2)所示，完成方法1或方法2第一步骤。
系统校正。1.零校正当容器空载时，液位高度为零，检测杆所受浮力为零，力敏头受力最大，其受力值即零校正值Fo。参见图(3)，零校正是由力敏头中的力敏电桥与转换电路板中的信号放大器共同作用完成的，双检测杆施测时，两个检测杆受力分别为F测1＝F测2＝Fo，Fo经力敏头的力敏电桥转换为相应的电压V测1，V测1输入给信号放大器时，将两路信号放大器分别调正为零电压输出，即Vx1＝Vx2＝0，则数字显示零高度液位;当单检测杆施测时舍去由比重检测杆连接的力敏头调零步骤即可，这样就完成了方法1;方法2的零校正第二步骤。2.满量程校正当容器中充满液体时，检测杆所受浮力为最大，力敏头受力值Fx1为最小，力敏头的力敏电桥电压输出为最小，接入信号放大器后调整放大器的放大量使其输出电压为最大值，经转换电路的数字显示器显示最高液位，即液位最大量程的确定。
实施测量。容器内装有一定高度的液体时，检测杆受液体浮力作用，力敏头受力F测为检测杆自重Fo与液体浮力Fx之差，则有Fx＝Fo-F测。这一过程由信号放大器实现的，单检测杆时信号放大器输出Vx1;双检测杆时由两个信号放大器分别输出Vx1、Vx2，从而完成了方法1或方法2的第三步骤。
液位高度运算。双检测杆测量时，将信号放大器输出的Vx1经比例放大器输出△H·Vx1，将△H·Vx1接除法器的信号输入端，将比重检测杆一路信号放大器输出的Vx2以及Vx1经减法器输出Vx2-Vx1接除法器的基准输入端，由除法器进行△H·Vx1/(Vx2-Vx1)除法运算，其数字量直接送数字显示器显示液位，完成方法2中Hx1＝Fx1·△H/△f液位高度运算的第四步骤。采用单检测杆时，将单杆/双杆切换开关K1切换到单杆位置，除法器基准输入端接到恒定电源上，即图(3)所示“基准”单元，这个基准单元的电量值为方法1中的Hx＝Fx/s·d中s·d的电当量值，此时s·d为一已知常量，同时需将图(3)中的比例放大系数调正为1，运算过程同双检测杆一样，从而实现了方法1的第四步骤。
值得说明的是实施本浮力式液位测量方法，无需转换电路板(8)亦可实施测量，只需高精度电压表对力敏头电信号输出端进行电量测量，再按本方法之步骤即可测出容器中液位高度。
权利要求
1.浮力式液位测量方法，其特征在于它按下列步骤进行测量①将一悬挂连接在力敏头上的液位检测杆悬吊在容器中，用电路或仪表检测力敏头受力情况，②校正容器空载时，液位检测杆所受浮力为零，力敏头受力为液位检测杆杆身自重且受力最大，其受力值为校正值F0，③测量容器内装有已知或定比重的液体时，力敏头受力为F测，F测等于液位检测杆自重F0与液体浮力FX之差，即F测=F0-FX，④液位高度计算根据浮力定律HX=FX/s·d计算得出液位高度，式中S液位检测杆截面积，d液位比重，FX液位检测杆所受浮力，HX液位高度。
2.一种使用权利要求1所述浮力式液位测量方法而专门设计的传感装置，其特征在于它具有壳体，壳体内固结有力敏头，具有液位检测杆，该检测杆悬挂在力敏头受力端上。
3.按权利要求2所述传感器装置，其特征在于所说的液位检测杆制成柱体杆。
4.按权利要求2所述传感装置，其特征在于所说的力敏头采用应变式拉力传感器。
5.浮力式液位测量方法，其特征在于它包括下列步骤①采用两个相同的力敏头，采用材料相同经配重处理后重量相等的液位检测杆和比重检测杆两个柱体检测杆，两检测杆杆身长度相同，杆身直径相同，但比重检测杆底部还连接有直径大于杆身的薄盘，将两个检测杆分别悬挂连接在两个力敏头上，并将两个检测杆悬吊置於同一容器中，使两检测杆在容器中呈悬垂状态，用电路或仪表检测力敏头受力情况，②校正容器空载时，液位高度为零，两检测杆所受浮力均为零，两力敏头受力均为相同重量的两检测杆各自的杆身自重，且受力最大，两力敏头受力值分别为校正值Fo，③测量容器内装有未知或变比重的液体时，两检测杆分别受液体浮力作用，两力敏头受力分别为各自悬挂的检测杆自重与各自检测杆所受浮力之差，悬挂液位检测杆力敏头受力为F测1则该检测杆所受浮力Fx1＝Fo-F测1;悬挂比重检测杆的力敏头受力为F测2则该检测杆所受浮力Fx2＝Fo-F测2，④液位高度运算根据浮力定律Hx1＝Fx1·△H/△f，式中H1所测液位高度，△f两检测杆所受浮力差值，△H两检测杆折算长度差值，Fxl液位检测杆所受浮力值。
6.一种使用权利要求5所述浮力液位测量方法而专门设计的传感装置，其特征在于，它包括壳体，壳体内固结有两个力敏头，具有液位检测杆和比重检测杆两检测杆，两个检测杆分别悬挂在两个力敏头受力端上。
7.按权利要求6所述传感器装置，其特征在于液位检测杆为柱体，比重检测杆上段柱体的直径、材料与液位检测杆相同，比重检侧杆下段连接有直径大于上段的薄盘，两个检测杆长度相同，通过配重使两杆重量相等。
8.按权利要求6所述传感装置，其特征在于所说的两个力敏头均采用应变式拉力传感器。
全文摘要
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种浮力式液位测量方法及传感装置。本测量法依据浮力原理，利用将检测杆悬挂在力敏头上形成的传感装置，使检测杆悬吊于容器中，通过电路或仪表测量容器内随液位变化而对检测杆产生浮力变化的浮力信息，再根据浮力定律换算出被测液位高度。本方法包括单检测杆法和双检测杆法两种液位测量方法解决已知或未知液体比重液位测量问题。本法具有测量过程中无机械位移，灵敏度高，测量精度高等优点。
文档编号G01F23/22GK1093462SQ93104170
公开日1994年10月12日 申请日期1993年4月8日 优先权日1993年4月8日
发明者沈继忱, 王振生, 李仁爽, 赵景林 申请人:吉林市东电自控技术开发公司