[發明專利]一種基于氣壓傳感器的液位測量裝置及其液位測量方法

有效

• 申請號: 201910174363.X
• 申請日: 2019-03-08
• 公開（公告）號: CN109932019B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 王海渝;顧哲;江賾偉;王可純;徐俊增;劉博弈;李亞威
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01F23/14
• 分類號: G01F23/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于氣壓傳感器的液位測量裝置的液位測量方法，其特征在于：液位測量裝置包括殼體(2)、內部氣壓傳感器(3)和數據采集分析系統(14)，所述殼體(2)底部開孔，豎直插入待測液(1)中內部形成密閉空間；所述內部氣壓傳感器(3)安裝于所述殼體(2)內側頂部，并連接數據采集分析系統(14)；所述數據采集分析系統(14)通過分析內部氣壓傳感器(3)數據得到殼體(2)底部與待測液(1)液面的相對距離；

所述液位測量裝置還包括水平對準裝置(6)，所述水平對準裝置(6)安裝于殼體(2)上，且垂直于殼體(2)中軸線，所述水平對準裝置(6)用于指示殼體(2)傾斜狀態，保證殼體(2)豎直插入待測液(1)；

所述液位測量裝置還包括位于殼體(2)內的內部溫度傳感器(5)，所述內部溫度傳感器(5)連接數據采集分析系統(14)，所述數據采集分析系統(14)根據內部溫度傳感器(5)測量的氣體溫度對最終計算的液位進行修正；

所述液位測量裝置還包括外部氣壓傳感器(9)，所述外部氣壓傳感器(9)安裝于殼體(2)外部，與內部氣壓傳感器(3)水平高度保持一致，且所述外部氣壓傳感器(9)連接數據采集分析系統(14)，所述數據采集分析系統(14)根據所述外部氣壓傳感器(9)的數據提高最終計算的液位準確性；

所述液位測量裝置還包括與殼體(2)剛性連接的固定裝置(13)，所述固定裝置(13)包括支架(10)、套環(12)與腳架(15)，所述固定裝置(13)通過固定所述殼體(2)的位置，實現對待測液(1)液位的連續監測；

所述殼體(2)頂部設有頂蓋(201)，殼體(2)與頂蓋(201)連接處設有密封環(202)，殼體(2)底部開孔處還設有濾網(11)，所述頂蓋(201)上方設有固定于固定裝置(13)的滴油裝置(4)，所述滴油裝置(4)包含儲油罐(401)、閥門(402)和滴油孔(403)，其滴油孔(403)正對殼體(2)的頂部，進行液位測量時包括控制閥門(402)釋放油滴，使油滴通過滴油孔(403)滴入殼體(2)內部液面(102)上；

測量方法包括如下步驟：

S1、使用前將液位測量裝置完全脫離待測液面，采用沿長度方向內部截面相等的柱狀密封容器通過底部的開孔完全與大氣相通，測量此時密封容器內的大氣壓初始值p₀；

S2、將密封容器開孔向下豎直插入待測液，并在待測位置保持穩定，保證無氣泡從開孔處冒出，待密封容器內部的液位穩定后，測量此時的密封容器內氣壓p₁；

S3、在測量過程中，記密封容器內空氣體積為V₁，密封容器內液面與密封容器底部距離Δh₁，密封容器內部液位與外部液位的差值為h₁，待測液液面與密封容器底部距離為H₁；

S4、設已知密封容器的底面積為S，已知密封容器的最大容量V₀，則V₁、Δh₁、h₁、H₁的計算公式為：

通過以下公式計算待測液液面與密封容器底部距離：

式中：H₁為待測液液面與密封容器底部距離，h₁為密封容器內部的測量中液位與外部液位的差值，Δh₁為密封容器內液面與密封容器底部距離，p₀為密封容器內大氣壓初始值，p₁為測量時密封容器內氣壓穩定值，ρ為已知待測液密度，g為當地重力加速度。

2.一種基于權利要求1所述的氣壓傳感器的液位測量裝置的液位的持續自動測量方法，其特征在于：包括如下步驟：

Step1、將液位測量裝置完全脫離待測液，通過沿長度方向內部截面相等的柱狀密封容器通過底部的開孔完全與大氣相通，密封容器頂部開孔使用頂蓋保持封閉狀態，測量此時密封容器內的大氣壓初始值p₀；

Step2、將密封容器開孔向下豎直插入待測液，并在待測位置安放穩定，保證無氣泡從開孔處冒出，待密封容器內部的液位穩定后，測量此時的密封容器內氣壓p₁；

Step3、記ρ為已知待測液密度，g為當地重力加速度，設已知密封容器的底面積為S，密封容器內部最大容量V₀，此時記密封容器內空氣體積為V₁，密封容器內部液位與密封容器底部距離Δh₁，密封容器內部液位與外部的液位的差值為h₁，可得到初始狀態時，密封容器被待測液淹沒的高度H₁計算如下：

Step4、打開密封容器的頂蓋，通過密封容器頂部開孔滴下油滴形成油膜進而封鎖密封容器液面，待密封容器內液面穩定后，此時密封容器內液面與外液面齊平，使用頂蓋封閉密封容器頂部開孔，此時為初始狀態，測量此時的密封容器內部氣壓p₂與溫度T₂，此時密封容器內部氣體的溫度、氣壓與外部大氣相等，設已知密封容器內部長為L，初始狀態密封容器內空氣體積V₂；

Step5、進入測量過程，密封容器外液位發生變化，密封容器內外氣壓與溫度也發生變化，測量此時的外界大氣壓p₄，同時測量此時的密封容器內氣壓p₃與密封容器內溫度T₃，此時記密封容器內空氣體積為V₃，密封容器內液面變化高度Δh₂，密封容器內外的液位差h₂，待測液液位較初始狀態的變化量H₂；

Step6、根據上述參數計算待測液液位較初始狀態的變化量H₂：

根據理想氣體狀態方程pV＝nRT，初始狀態時有：

p₂V₂＝nRT₂

根據以下公式計算得到初始狀態的氣體恒定常量nR：

計算初始狀態時，密封容器內氣體體積V₂為：

代入氣體恒定常量nR計算公式，得到：

由于測量過程中，密封容器內氣體分子數未發生變化，根據理想氣體狀態方程pV＝nRT，推出測量過程中，密封容器內氣體體積V₃為：

進一步計算密封容器內液面的高度變化量Δh₂為：

此時根據密封容器外氣壓p₃＝p₄+ρgh₂推出此時密封容器內外的液位差h₂為：

計算待測液液位上升/下降高度即測量時刻與初始時刻液位變化量H₂為：

H₂為正值時，代表液位較初始狀態上升，H₂為正負值時，代表液位較初始狀態下降。