專利名稱：圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液位測(cè)量?jī)x器，適用于石油、化工等領(lǐng)域中，對(duì)易燃、易爆液體的液位遠(yuǎn)距離、大量程、精確而安全地測(cè)量與控制。
目前，國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)出售的各種液位測(cè)量?jī)x器，它們普遍存在的主要缺點(diǎn)1、可以對(duì)液體的液位高精度測(cè)量的，而不能從本質(zhì)上防爆，因?yàn)樗鼈儼惭b在被測(cè)液體容器上和工作區(qū)內(nèi)的傳感系統(tǒng)和測(cè)量裝置上都含有電子元器件；2、能夠從本質(zhì)上防爆的，而不能對(duì)液體的液位大量程、高精度地測(cè)量，因?yàn)樗鼈兊臏y(cè)量基準(zhǔn)器的測(cè)量誤差較大，或測(cè)量基準(zhǔn)器的量程受到限制。
本發(fā)明的目的是提供一種在被測(cè)液體容器上和工作區(qū)內(nèi)不含有電子元器件可本質(zhì)上防爆的；測(cè)量基準(zhǔn)器的測(cè)量誤差極小、量程不受限制的；測(cè)量時(shí)不受外界溫度變化影響，高精度、可遠(yuǎn)距離直接測(cè)量的液位測(cè)量?jī)x。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)采用圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x，具有供電電源(A6)，兩支紅外發(fā)光管(1-9)，終端帶有光學(xué)透鏡(1-4)的兩路入射光纖(1-7)，兩組始端帶有光學(xué)透鏡(1-13)的出射光纖(1-14)，兩支光電接收器(1-15)，其特征在于，采用圓光柵付作測(cè)量基準(zhǔn)器，用光纖傳遞莫爾條紋光信號(hào)，固定在浮盤(1-22)上的鋼絲纜(1-21)與支承在保持架(1-11a)上的傳動(dòng)輪(1-1)的導(dǎo)向槽中固定，與傳動(dòng)輪固定的主軸(1-3)上還固定有圓主光柵(1-6)，主軸(1-3)在圓副光柵(1-5)的中心孔中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，圓副光柵(1-5)和圓主光柵(1-6)順光路方向依次設(shè)置在入射光纖和出射光纖的光學(xué)透鏡(1-4)，(1-13)之間，兩支光電接收器(1-15)輸出的電信號(hào)分別輸入兩放大電路(1-16)，兩整形電路(1-17)，四倍頻電路(1-18)，數(shù)據(jù)處理和顯示電路(1-19)。
以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x的示意草圖；圖2是圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x的部分結(jié)構(gòu)圖；圖3是圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x的電學(xué)系統(tǒng)方框圖。
本發(fā)明采用一對(duì)圓光柵付作為液位測(cè)量?jī)x的測(cè)量基準(zhǔn)器，因?yàn)閳A光柵是當(dāng)代高精度的圓分度基準(zhǔn)器，其精度可高達(dá)±0.1角秒的水平，且具有基準(zhǔn)分度刻線呈360°閉環(huán)均布抗環(huán)境溫度波動(dòng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍可不受限制，所以采用圓光柵作測(cè)量基準(zhǔn)器，可實(shí)現(xiàn)液位的大量程、高精度地測(cè)量；本發(fā)明采用由光源、光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維所組成的光學(xué)系統(tǒng)提供圓光柵付的照明和傳輸圓光柵付產(chǎn)生的莫爾條紋基準(zhǔn)測(cè)量光信號(hào)，使得液位測(cè)量?jī)x在被測(cè)液體容器上和工作區(qū)內(nèi)無(wú)電子元器件和無(wú)電纜，由于光導(dǎo)纖維具有傳輸光能損耗低、不帶電、抗干擾性強(qiáng)的特性，所以采用該光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液位遠(yuǎn)距離的測(cè)量和實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上防爆。
本發(fā)明由四部分所組成，詳見圖1，圖2，(1)光學(xué)系統(tǒng)，包括兩組入射光纖1-7、兩塊光學(xué)透鏡1-4，圓主光柵1-6，圓副光柵1-5，兩塊光學(xué)透鏡1-13，兩組出射光纖1-14；(2)電學(xué)系統(tǒng)，包括兩支紅外發(fā)光管1-9，電源A6，兩支光電接收器1-15，兩路放大電路1-16，兩路整形電路1-17，四倍頻電路1-18，數(shù)據(jù)處理和顯示電路1-19，電器箱1-12a，(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括傳動(dòng)輪1-1，可設(shè)彈性聯(lián)軸節(jié)1-2，鋼絲繩1-21，浮盤1-22，滑輪1-23，滑輪架1-24；(4)主體結(jié)構(gòu)，包括除光學(xué)系統(tǒng)、電學(xué)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之外的全部構(gòu)件。
本發(fā)明設(shè)計(jì)測(cè)量原理見圖2，原理數(shù)學(xué)表達(dá)式為h＝2πR×S/360°……(1)式中，h為被測(cè)液體液位S為角位移量，R為有效傳動(dòng)半徑①式中R為已知量，若求得S值，則h值可知，為此采用如下設(shè)計(jì)原理求得被測(cè)液體的液位h值設(shè)置在安全區(qū)1-11中的電源1-10被接通后，兩支紅外發(fā)光管1-9發(fā)出兩路光，經(jīng)兩路入射光纖1-7傳輸，由于終端兩塊光學(xué)透鏡1-4的作用，將兩束發(fā)散光轉(zhuǎn)變?yōu)閮芍叫泄饩鶆虻卣丈湓趫A主光柵1-6的刻線面和圓副光柵1-5的裂相窗口上，當(dāng)測(cè)量液位時(shí)，因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)與液體的浮力一起構(gòu)成一個(gè)平衡力矩系、由平衡力的作用，使得浮盤1-22產(chǎn)生相應(yīng)的上、下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的傳遞使得彈性聯(lián)軸節(jié)1-2轉(zhuǎn)動(dòng)、帶動(dòng)主軸1-3、圓主光柵與之同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)閳A副光柵是固定不動(dòng)的，這樣圓主光柵相對(duì)圓副光柵就產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由光柵的測(cè)量原理可知每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角柵柜，便產(chǎn)生一個(gè)明、暗相間的莫爾條紋光信號(hào)，因?yàn)閳A副光柵上的裂相窗口相位相差90°，所以便產(chǎn)生兩路相位相差90°的莫爾條紋光信號(hào)，再經(jīng)始端帶有光學(xué)透鏡1-13的兩組出射光纖1-14，被會(huì)聚傳輸?shù)竭h(yuǎn)設(shè)在安全區(qū)的兩支光電接收器1-15的靶面上，被轉(zhuǎn)換成二路相位相差90°的電信號(hào)，此時(shí)的電信號(hào)比較微弱，經(jīng)電路1-16放大后，形成兩路可用的Sinθ、Cosθ電信號(hào)，由圓光柵的測(cè)量原理得，S＝κ×ω……(2)式中S為圓光柵的角位移量；κ為莫爾條紋個(gè)數(shù)，即電脈沖個(gè)數(shù)；ω為光柵角柵距，為已知量。將(2)式代入(1)式得h＝2πR×κω/360°……(3)(3)式中2πR×κω/360°為已知量，設(shè)為m，則(3)式簡(jiǎn)化為h＝m×κ……(4)由(4)式可見若求得κ值，則液位量h值可求出，為此，采用兩路整形電路1-17，將電信號(hào)Sinθ和Cosθ變?yōu)閮陕废辔幌嗖?0°的方波脈沖，以滿足計(jì)數(shù)獲取κ值的需要，為了提高測(cè)量的分辨率，即為獲得更精確的h值，采用四倍頻電路1-18對(duì)兩路方波進(jìn)行倍頻后，送入數(shù)據(jù)處理與顯示電路1-19，最終被測(cè)的液位量h值的大小，便以數(shù)字的形式自動(dòng)而精確地被顯示出來(lái)。
本發(fā)明的實(shí)施例，詳見圖2，圖3，本測(cè)量?jī)x的主體結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)接是通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)1-2來(lái)實(shí)現(xiàn)的或不用聯(lián)軸節(jié)，其一端連接著傳動(dòng)輪1-1，傳動(dòng)輪通過(guò)保持架1-11a，被剛性地固定在被測(cè)液體的容器罐1-12的頂部，鋼絲纜1-21的兩端被剛性地固定在浮盤1-22的上、下兩端面中心上，呈O形套在傳動(dòng)輪和滑輪1-23的導(dǎo)向槽中，滑輪通過(guò)滑輪架1-24被剛性地固定成一體，它們緊固在容器罐的底部；彈性聯(lián)軸節(jié)的另一端與主體結(jié)構(gòu)中的主軸1-2、鍵2-1連接，主軸的兩端設(shè)有兩個(gè)軸承2-14，之間由隔離套2-15和卡圈2-13限位，兩個(gè)軸承外環(huán)以靜配合的形式安裝在基體2-5上，基體通過(guò)三個(gè)螺釘2-8被緊固在裝于罐頂?shù)募苌希吧w板2-3和后蓋板2-23分別由四個(gè)螺釘2-4、2-12被緊固在基體和光纖座A2-10上，光纖座B2-21通過(guò)四個(gè)螺釘2-20被緊固在后蓋板上，兩組入射光纖1-7和兩組出射光纖1-14其一端的固定，分別由兩個(gè)固定套2-11和兩個(gè)后固定套2-6，及光纖座2-21來(lái)實(shí)現(xiàn)的；另一端分別被固定于設(shè)在安全區(qū)1-11的電器箱1-12a的插口內(nèi)，光學(xué)透鏡1-14和1-13分別被安裝在靠近圓主光柵1-6和圓副光柵1-5兩側(cè)的入射光纖和出射光纖上，圓副光柵的內(nèi)孔穿入主軸，被粘接在基體上，圓主柵光柵的內(nèi)孔穿入主軸放置在軸肩上，通過(guò)壓緊環(huán)2-22被壓緊固定，兩塊圓光柵是通過(guò)毛坯加工、毛坯理、化處理、真空濺射蒸鍍金屬膜、涂制紫外感光膜、光刻、制板、顯影、堅(jiān)膜、腐蝕、去膜工藝制成的，為了滿足測(cè)量時(shí)判向的需要，圓副光柵的光刻圖案采用裂相刻劃，每個(gè)窗口相位相差90°，圓主光柵的刻線數(shù)和刻劃精度的選取，由測(cè)量?jī)x整機(jī)要求的分辯率和總精度來(lái)確定。設(shè)在安全區(qū)的電器箱內(nèi)，兩路電源V+經(jīng)穩(wěn)流電路提供給兩路光源，即紅外發(fā)光管一恒定電流，從而保證了光源發(fā)射一束穩(wěn)定的近紅外光線，光線分別經(jīng)過(guò)兩路光路光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制后，照射到兩路光電接收器，即光電二極管的靶面上，光電二極管將經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制的兩路光信號(hào)，分別轉(zhuǎn)換成兩路電信號(hào)送入兩路前置放大器A1(OP07)進(jìn)行預(yù)放大，由于經(jīng)A1放大后的電信號(hào)仍然很微弱，因此再分別送入兩路主放大電路A2，進(jìn)行進(jìn)一步放大，經(jīng)過(guò)A2(AD524)放大后輸出兩路相位相差90°的電信號(hào)Sinθ和Cosθ，再送入兩路整形電路A3(TL072)進(jìn)行整形后，送入四倍頻電路A4，經(jīng)倍頻后輸出兩路相位相差90°的方波電信號(hào)，再送入數(shù)據(jù)處理和顯示電路單片機(jī)A5(8032)進(jìn)行處理后顯示并輸出控制信號(hào)，A5具有對(duì)系統(tǒng)測(cè)量誤差修正的功能，具有自檢和故障報(bào)警功能。電器箱帶有微機(jī)和微型打印機(jī)插口，A6為整個(gè)電學(xué)系統(tǒng)的供電電源，由供電電網(wǎng)和不間斷電源組成，A1、A2、A3、A4、A5電路，在國(guó)內(nèi)都有專門的商店，廠家銷售。
權(quán)利要求
1.圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x，具有供電電源(A6)，兩支紅外發(fā)光管(1-9)，終端帶有光學(xué)透鏡(1-4)的兩路入射光纖(1-7)，兩組始端帶有光學(xué)透鏡(1-13)的出射光纖(1-14)，兩支光電接收器(1-15)，其特征在于，采用圓光柵付作測(cè)量基準(zhǔn)器，用光纖傳遞莫爾條紋光信號(hào)，固定在浮盤(1-22)上的鋼絲纜(1-21)與支承在保持架(1-11a)上的傳動(dòng)輪(1-1)的導(dǎo)向槽中固定，與傳動(dòng)輪固定的主軸(1-3)上還固定有圓主光柵(1-6)，主軸(1-3)在圓副光柵(1-5)中心孔中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，圓副光柵(1-5)和圓主光柵(1-6)順光路方向依次設(shè)置在入射光纖和出射光纖的光學(xué)透鏡(1-4)，(1-13)之間，兩支光電接收器(1-15)輸出的電信號(hào)分別輸入兩放大電路(1-16)，兩整形電路(1-17)，四信頻電路(1-18)，數(shù)據(jù)處理和顯示電路(1-19)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x，其特征在于，供電電源(A6)，兩支紅外發(fā)光管(1-9)，兩支光電接收器(1-15)，兩路放大電路(1-16)，兩路整形電路(1-17)，四倍頻電路(1-18)，數(shù)據(jù)處理和顯示電路(1-19)，都設(shè)置在位于安全區(qū)的一個(gè)電器箱(1-12a)中，入射光纖(1-7)，出射光纖(1-14)分別與紅外發(fā)光管(1-9)和光電接收器耦合。
全文摘要
圓光柵光導(dǎo)防爆液位測(cè)量?jī)x,特點(diǎn)是固定在浮盤1—22上的鋼絲纜1—21與支承在保持架1—11a上的傳動(dòng)輪1—1的導(dǎo)向槽中固定,與傳動(dòng)輪固定的主軸1—3上還固定有圓主光柵1—6,主軸在圓副光柵1—5中心孔中自由轉(zhuǎn)動(dòng),圓副光柵、圓主光柵順光路方向依次設(shè)置在入射光纖和出射光纖的光學(xué)透鏡1—4,1—13之間。優(yōu)點(diǎn)是量程大,測(cè)量精度高可遠(yuǎn)距離測(cè)量液位,工作區(qū)內(nèi)不含有電子元器件,整個(gè)電學(xué)系統(tǒng)設(shè)置在位于安全區(qū)的一個(gè)電器箱內(nèi),可用于防爆場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01F23/22GK1174985SQ97112000
公開日1998年3月4日 申請(qǐng)日期1997年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月11日
發(fā)明者史淑華, 李維生, 徐重廉, 羅來(lái)根, 許興智, 楊歧, 朱雷 申請(qǐng)人:北京超精細(xì)工程研究所