[發明專利]一種單光纖跟蹤式高精度液位連續測量方法

無效

• 申請號: 01138789.0
• 申請日: 2001-12-06
• 公開（公告）號: CN1352378A
• 公開（公告）日: 2002-06-05
• 發明（設計）人: 于清旭
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01F23/292
• 分類號: G01F23/292
• 代理公司: 大連理工大學專利事務所
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于測控技術領域，是一種基于光纖受抑全內反射傳感的高精度液位連續測量方法，涉及到石油化工工業中液體液位的精確測量和控制。

背景技術

光纖傳感器相對傳統電學傳感器有許多優點，如檢測靈敏度高，抗電磁干擾及本質安全等，近年來在航空航天和石油化工工業得到廣泛應用。目前石化工業的液位連續測量大多采用測量壓強換算液位的方法，這種方法存在測量結果易受液體密度變化影響以及傳感器長期漂移的影響，難以實現高精度測量。另一種方法是利用光纖受抑全內反射傳感器測量液位，如專利(95231166.6)和專利(00252608.5)，雖然該類傳感器有很高的定位精度，但通常只能進行分立式間斷測量或作定點報警或控制。

發明內容

本發明的目的是結合單光纖受抑全內反射液位傳感器的高靈敏度的特點和微機控制的飼服系統的精確機械定位和跟蹤技術，提供一種新的高精度、無漂移、連續和直接測量液位的方法。

本發明的技術方案是，采用電弧熔融拉錐或者光學研磨的方法在普通多模通信光纖的端部直接制作圓錐尖形的氣液兩相界面傳感頭，使傳感頭反射回的氣液兩相信號對比度超過10dB。為了實現液位連續測量，需要將傳感頭安裝到一個微機控制的能夠精確定位的伺服機構上，該飼服機構主要由微型步進電機、螺桿、滑塊、帶導槽的套管和防爆外殼組成。傳感頭固定在滑塊上，由步進電機-螺桿-滑塊和導槽機構驅動，根據光纖傳感頭反饋回的光信號強度確定傳感頭的運動方向，動態跟蹤液面，每當傳感頭接觸液面時，計算機即計算和顯示出該時刻步進電機位置對應的液面高度。微機控制和測量程序由脈沖發生和計數、脈沖數-液位換算和顯示、變步長跟蹤、上下限報警和歷史數據顯示、記錄等部分組成。

本發明的效果和益處是，由普通多模光纖經電弧熔拉或光學研磨制作的單光纖受抑全內反射傳感頭，液位探測靈敏度能夠達到微米數量級，而且與雙光纖受抑全內反射傳感頭相比，結構和制作工藝簡單，可靠性強，成本低，但整個測量系統的測量精度還取決于螺桿、滑塊和導槽的機械加工精度。在普通機械加工條件下，整個系統的測量精度可以高于±0.1mm(2m測量范圍)。此外，本測量方法是一種直接測量液位的方法，不受液體密度變化的影響，不存在長期漂移問題，可廣泛應用于石油化工系統的多種液體的液位測量和控制，特別適用于小型液體罐的液位精確計量。

附圖說明

附圖是單光纖跟蹤式高精度液位傳感器的結構和工作原理示意圖。圖中(1)微型計算機，(2)步進電機驅動控制、光發射、光接收和電子檢測箱，(3)LED光源，(4)PIN光電探測器，(5)1分2光纖耦合器，(6)單芯光纜，(7)5芯安全電纜，(8)鋁合金防爆外殼，(9)5相微型步進電機，(10)密封光纖活接頭，(11)電機軸-螺桿連接套，(12)螺桿，(13)圓錐形光纖探頭，(14)攜帶光纖探頭跟蹤液面運動的滑塊，(15)帶縱向導槽的不銹鋼套管，(16)臥式儲液罐中的液體，(17)螺桿下端軸承和端蓋。

具體實施方式

以下結合附圖詳細說明本發明的最佳實施例。

如附圖中LED(3)發出的中心波長為850nm的光信號經光纖耦合器(5)、單芯光纜(6)和密封光纖活接頭(10)傳輸到固定在滑塊(14)上的光纖傳感頭(13)。傳感頭是在普通多模通信光纖的端部用電弧熔拉或者光學研磨的方法制作成的80至90度的圓錐尖。當探頭置于空氣中時，一部分光可在錐尖端形成全反射，經由同一條光纖(6)和耦合器(5)傳輸回PIN光電探測器(4)，設該信號的強度為I0；當傳感探頭置于液體(16)中時，由于液體的折射率高于空氣的折射率，使光在傳感頭處的全反射條件被破壞，大部分光泄漏到液體中，使返回探測器(4)的光信號強度減弱，設為I₁。通常對比度R＝10Log(I₀/I₁)可達到10dB以上，利用返回光強在氣液兩相界面兩側的明顯的差別，即可以分辨出液面的位置。由于光纖尖的敏感尺寸僅為60μm左右，加上光纖尖與液面接觸時的吸附作用，該傳感頭對液面的定位傳感精度可達到微米數量級。

需要說明的一點是，由于制作工藝水平的不同，光纖探頭尖的角度或形狀可能偏離理想的90度圓錐形狀，這會引起R值變小，雖然R值在很大的范圍內都可以使系統工作，但R值過小會影響系統的可靠性和使用壽命。因此利用電弧拉錐或研磨光纖探頭，應盡量使其接近理想90度圓錐形狀。

附圖中滑塊(14)是用來攜帶光纖探頭(13)上下運動跟蹤液面的，滑塊的運動是通過與步進電機(9)連接的螺桿(12)驅動的，當螺桿轉動時，滑塊沿套管(15)的導槽上下移動。螺桿的下端由一聚四氟乙烯軸承(17)支撐。微型5相步進電機(9)的最小步進角為0.36度，若采用2m行程的螺桿，螺距為1.25mm，其光纖跟蹤液面的最小理論分辨率可達到1.25μm，實際上考慮到螺桿(12)和導槽的機械加工精度以及液體表面張力的影響等因素，實際的液位測量絕對精度可優于±0.1mm，在量程為2m時相對精度可達到±5×10^-5。該測量方法的突出特點是液位測量精度高，不存在長期漂移的問題。由于在儲液罐內部的光纖探頭僅傳輸nW級的光信號，容器外部的微型步進電機是低電壓驅動(24V)的無電刷電機，電機軸與法蘭盤間采取了聚四氟乙烯防爆密封結構，屬于本質安全型傳感器，可應用于石油化工企業多種液體容器的液位精確測量。