[发明专利]一种结合激光干涉技术和自由态浮子测量液位的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度测量容器内介质液位的新方法，通过本方法能够对容器内介质的液位变化进行实时测量，并通过终端设备进行数字化显示。与其他液位测量方法相比，本方法对液位的测量可以达到0.1mm，特别适用于石油化工行业中储油罐用液位计的准确度检测。 

背景技术

随着工业自动控制系统的不断发展和进步，能够实时地对容器(罐体、釜、塔等)液位或界面进行测量和监控的需求已经变得越来越迫切。目前测量容器液位进行的方法众多，测量原理也不尽相同。总体而言，根据测量液位时是否需要与测量介质相接触的部件，可以将液位测量方法分为接触式测量方法和非接触式测量方法。从测量方法的发展历程来看，液位测量方法正在逐渐向自动化、高精度、非接触式方向发展。人工检尺方式是较早出现的一种液位测量方法，这种方法通过用带有重锤的米制钢带卷尺或带有刻度的标尺测量，手工记录读数。这种测量方法由于需要人工进行液位值的读取，属于一种非自动的液位测量方法。随着机械技术的发展，出现了采用浮子和钢带相结合的方式来进行液位测量的方法。这种方法是根据力平衡原理来测量容器内的液位，通过平衡浮子自身重力和自身受到的浮力使浮子随液位上升下降，带动钢带运行，通过读取钢带上的刻度值得到最终的液位值。而随着伺服电机技术的飞速发展，采用伺服电机在浮子的驱动下进行液位测量的方法得到了越来越广泛的应用。这种液位测量方法主要通过一套智能的测量系统连续测量浮子的重量和浮力并控制伺服系统，最终在伺服电机的驱动下，由一体化变送器给出液位测量值。随着电磁理论的发展，出现了采用磁致伸缩原理进行液位测量的方法。这种方法是根据超声波在两个不同磁场相交产生磁致伸缩扭转效应，并根据产生的扭转波传输的时间和速度来进行液位的测量。 

上述几种测量方法都属于接触式测量方法，由于这类方法具有与被测介质相接触的部件，故限制了这些方法不能用于腐蚀性介质。随着近些年来电磁波技术的发展，利用电磁波来对容器液位进行测量得到了快速的发展，由于这种类型的测量方法没有与被测介质相接触的部件，所以使用维护费用低。并且随着发射波频率的增加，这种液位测量方式的精度也逐渐提高。然而，上述任何一种液位测量方法由于在准确度、稳定性、量程及易受工作介质影响等方面的欠缺，都不能长时间的保持在一种高精度的状态，所以如何能够兼顾准确度和稳定性两方面因素，实现一种自动测量容器液位的新方法变得日益迫切。本发明方法的目的就是通过结合激光干涉技术和自由态浮子对容器内的液位值进行准确测量，并且可以长时间的处于高精度的稳定状态。 

同时，伴随着石油化工行业的蓬勃发展，不同测量原理的液位计产品的应用也日趋广泛。但到目前为止，除了生产厂家提供的准确度数据外，还没有一个通用的解决方案能够给出各种液位计的准确度指标，而这也导致液位计应用行业在选择液位计品牌及型号时没有一个定量的参考标准。由于本发明方法的准确度高于目前任何一种液位计的准确度等级，所以本发明本方法能够提供一个测量标准来对不同的液位计进行评价，给出一个定量的准确度等级。 

发明内容

本发明方法主要解决的技术问题是针对容器内液位的变化，设计一种能够实时、高精度进行液位测量的新方法。这种方法具有原理简单、操作方便、反应灵活等特点，综合应用了接触式测量方法中浮子对液位的准确反馈及电磁波测量方法的高精度和稳定性的优点。通过基于本发明方法的试验装置得出，本方法的准确度远远高于目前任何一种液位测量方法的准确度。 

本发明解决上述问题采用的技术方案是：通过利用激光干涉技术在长度测量上的精确性结合自由态浮子对容器内的液位进行测量。同时，对激光在传输过程中温度、压力、湿度等影响量进行修正，从而得出最终的液位值。 

激光干涉技术是激光在计量领域中最成功的应用之一，是工业中最具权威的长度测量技术。基于激光干涉技术的激光产品具有信号噪声小，抗环境干扰能力强等技术特点。激光干涉技术是基于光波叠加原理，通过两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹的激光应用技术。在实际应用中，通过从激光光源发 出的光束，经由分光镜分为两路即参考光束和测量光束，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来经分光镜形成一道干涉光束，如图1所示。在本发明方法中，采用全反射棱镜作为可动反射镜，通过全反射棱镜随液位的变化得到干涉光束，并计算与被测长度对应的多普勒频差得到干涉条纹数。根据干涉条纹的数量和公式1得出容器内液面与容器顶部间的空高数值，从而根据公式2计算出容器内液位的准确值。 

                                     L＝N*λ/2              (1)