激光高温液体高度测控系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光测控技术领域，具体涉及一种激光高温液体高度测控系统及控制 方法。
【背景技术】
[0002] 目前，非接触液体高度定位系统主要有如下几种：
[0003] (1)红外线高度定位系统:红外线测距的过程可简述为:装置内的红外二极管发射 高频调制波，调制波到达障碍物后反射回装置，装置内的光敏二极管接收到返回的信号后 进行电压转换，最终计算装置到液面的高度。但是由于红外线易受高温液体光线影响，造成 测量数据变化大，精度达不到作业要求。
[0004] (2)超声波高度定位系统:超声波测距是通过测量超声波发射之后与超声波接触 到障碍物后返回装置的时间差，再将其乘以超声波速度来测量发射端距离障碍物的距离， 然后利用接触物与多个超声波发射端的距离经过三边或多边定位算法获知被测物体的高 度信息。但是在高温环境下，超声波强度会大大衰减，甚至无法接收返回来的信号，造成测 距失效。同时精度也无法满足作业要求。
[0005] (3)WIFI和蓝牙高度定位系统:WIFI和蓝牙测距的原理相同，均采用基于信号强度 的测距方式。在其信号覆盖的区域内，设置若干个已知位置信息的节点，然后测量待测物体 的信号强度，将待测物信号强度与已知节点的信号强度进行比对，通过换算模型即可大致 估计液面高度。在高温下WIFI和蓝牙的信号衰减厉害，接收器无法接收信号完成测量任务。
[0006] 上述的几种高度定位系统一旦应用到高温液体或者在高温环境中，检测的效果将 会大打折扣，尤其无法应用到监测钢铁冶炼时高温熔融状态下的液面变化等极端高温的环 境中。
[0007] 近年来，激光技术发展迅速，已经被广泛应用于加工、测量、医疗、印刷等各领域， 特别在物位测量方面，激光测量有着方向性好、发应快、非接触测量、耐高温、耐干扰等其他 技术无法比拟的优势。
[0008] 申请号为"CN201410213359.7"的中国专利申请公开了一种"测量单晶炉熔硅液面 高度的装置与方法"，该方法采用激光双反射法测量熔硅液面高度，此方法需要配置一个复 杂的图像传感器，而且需要通过复杂的图像处理算法去求得液面高度，并且不能计算实时 的液面移动速率V，以便为控制液面高度提供参考，应用范围有限。申请号为 "CN201510361972.8"的中国专利申请公开了一种"非接触式液位测量系统及方法"，该方法 也只能实现检测容器内的液位高度，并不能实时计算容器内液面的移动速率。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光高温液体高度测控系统，该系统采 用耐高温、耐干扰的激光束作为测量光源，能够在高温环境中实时测量高温液体的液面高 度及液面高度升降速率变化，并对高温液体的液位高度进行实时调控;本发明还提供了一 种激光高温液体高度测控方法，克服目前检测方法算法复杂，检测精度不高等缺陷。
[0010]为实现上述技术方案，本发明提供的一种激光高温液体高度测控系统，包括：
[0011]位于待测液体液面上方且相对设置的激光发射器和激光接收器，激光接收器上与 激光发射器正对端面设置有一接收激光束的面板，该面板的中部设置一个中点；
[0012] 驱动单元，用于带动激光发射器和激光接收器同时转动；
[0013] 控制器，该控制器用于接收激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离信 号，当激光束落在面板上形成的光斑与中点之间的距离不为零时，控制器控制驱动单元带 动激光发射器和激光接收器同时运动；当激光束落在面板上形成的光斑与中点重合时，控 制器计算出液面移动速率V和当前液面高度H1，具体计算公式如下：
[0014] T0时刻，将待测液体的液面加送至一个液面高度已知的Μ点，此时液面高度为H0， 激光接收器旋转的角度为Α°，在Τ1时刻时，液面上升或者下降至Ν点，此时液面高度为Η1，激 光接收器旋转的角度为Β°，则液面移动速率V为：
[0016]其中AS为液面上升高度，ΛΤ为时间差，ΛΤ = Τ1-Τ0,其中
[0018]其中L为两电机间的距离；
[0019]液面高度Η1计算公式为：
[0021] Τ2时刻则以Τ1时刻的液位高度Η1和激光接收器旋转的角度Β°为已知值计算出此 时的液位高度Η2和V2，如此往复；
[0022] 液位控制栗，用于接受控制器内发出的调控信号，实现高温容器内高温液体的液 位控制，所述液位控制栗包括液体输出栗和液体输入栗，当控制器计算得到的液面移动速 率V大于预设的移动速率阈值V0时，控制器控制减少液体输入栗的流量或者增大液体输出 栗的流量，以减少液面移动速率V;当控制器计算得到的液面移动速率V小于预设的移动速 率阈值V0时，控制器控制增大液体输入栗的流量或者减少液体输出栗的流量，以增大液面 移动速率V;当控制器计算得到的液面移动速率V等于预设的移动速率阈值V0时，控制器控 制保持液体输入栗的流量和液体输出栗的流量；当控制器计算得到的当前液面高度Η等于 或者大于预设的液面高度阈值Ht时，控制器发布预警信息，液体输入栗关闭。
[0023] 优选的，所述驱动单元为安装在激光发射器和激光接收器端部且用于控制激光发 射器和激光接收器同步转动的伺服电机。
[0024] -种激光高温液体高度测控方法，包括以下步骤：
[0025] S1.激光发射器和激光接收器的信号调零:控制器发出指令使激光发射器产生特 定频率的激光束，控制驱动单元使激光发射器和激光接收器成水平状态，使得激光发射器 发射的激光束照射至激光接收器的面板中心，进行调零，调零完毕后记录当前的位置为零 位置；
[0026] S2.高温液体液位测量:开启液体输送栗将待测液体的液面加送至一个液面高度 已知的Μ点，此时液面高度已知为H0,关闭液体输送栗并开始加热，控制器控制驱动单元带 动激光发射器和激光接收器同时转动，直至激光束照射至待测液体液面，判断反射的激光 束是否落在激光接收器面板中心，如果"否"，驱动单元驱动激光发射器和激光接收器继续 转动，直至反射的激光束移动到激光接收器面板中心，然后开启液体输入栗和液体输出栗， 液面开始上升，控制器控制驱动单元带动激光发射器和激光接收器同时转动，直至反射的 激光束移动到激光接收器面板中心，此时控制器根据驱动单元中电机的移动角度和移动速 率计算高温液体的液面移动速率V和当前液面高度H1，具体计算公式如下，具体计算公式如 下：
[0027] T0时刻，液面高度位于Μ点，此时已知液面高度为H0,激光接收器旋转的角度为A°， 在T1时刻时，液面上升或者下降至N点，此时未知液面高度为HI，激光接收器旋转的角度为 B°，则液面移动速率V为：
[0029] 其中AS为液面上升高度，ΛΤ为时间差，ΛΤ = Τ1-Τ0,其中
[0031]其中L为两电机间的距离；
[0032]液面高度Η1计算公式为：
[0034] Τ2时刻则以Τ1时刻的液位高度Η1和激光接收器旋转的角度Β°为已知值计算出此 时的液位高度Η2和V2，如此往复；
[0035] S3.高温液体液位控制:控制器根据S2中测得的数据控制液体输出栗或者液体输 入栗的流量大小，当控制器计算得到的液面移动速率V大于预设的移动速率