激光高溫液體高度測(cè)控系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光高溫液體高度測(cè)控系統(tǒng)及控制 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，非接觸液體高度定位系統(tǒng)主要有如下幾種：
[0003] (1)紅外線高度定位系統(tǒng):紅外線測(cè)距的過(guò)程可簡(jiǎn)述為:裝置內(nèi)的紅外二極管發(fā)射 高頻調(diào)制波，調(diào)制波到達(dá)障礙物后反射回裝置，裝置內(nèi)的光敏二極管接收到返回的信號(hào)后 進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，最終計(jì)算裝置到液面的高度。但是由于紅外線易受高溫液體光線影響，造成 測(cè)量數(shù)據(jù)變化大，精度達(dá)不到作業(yè)要求。
[0004] (2)超聲波高度定位系統(tǒng):超聲波測(cè)距是通過(guò)測(cè)量超聲波發(fā)射之后與超聲波接觸 到障礙物后返回裝置的時(shí)間差，再將其乘以超聲波速度來(lái)測(cè)量發(fā)射端距離障礙物的距離， 然后利用接觸物與多個(gè)超聲波發(fā)射端的距離經(jīng)過(guò)三邊或多邊定位算法獲知被測(cè)物體的高 度信息。但是在高溫環(huán)境下，超聲波強(qiáng)度會(huì)大大衰減，甚至無(wú)法接收返回來(lái)的信號(hào)，造成測(cè) 距失效。同時(shí)精度也無(wú)法滿足作業(yè)要求。
[0005] (3)WIFI和藍(lán)牙高度定位系統(tǒng):WIFI和藍(lán)牙測(cè)距的原理相同，均采用基于信號(hào)強(qiáng)度 的測(cè)距方式。在其信號(hào)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，設(shè)置若干個(gè)已知位置信息的節(jié)點(diǎn)，然后測(cè)量待測(cè)物體 的信號(hào)強(qiáng)度，將待測(cè)物信號(hào)強(qiáng)度與已知節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)換算模型即可大致 估計(jì)液面高度。在高溫下WIFI和藍(lán)牙的信號(hào)衰減厲害，接收器無(wú)法接收信號(hào)完成測(cè)量任務(wù)。
[0006] 上述的幾種高度定位系統(tǒng)一旦應(yīng)用到高溫液體或者在高溫環(huán)境中，檢測(cè)的效果將 會(huì)大打折扣，尤其無(wú)法應(yīng)用到監(jiān)測(cè)鋼鐵冶煉時(shí)高溫熔融狀態(tài)下的液面變化等極端高溫的環(huán) 境中。
[0007] 近年來(lái)，激光技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于加工、測(cè)量、醫(yī)療、印刷等各領(lǐng)域， 特別在物位測(cè)量方面，激光測(cè)量有著方向性好、發(fā)應(yīng)快、非接觸測(cè)量、耐高溫、耐干擾等其他 技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
[0008] 申請(qǐng)?zhí)枮?CN201410213359.7"的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種"測(cè)量單晶爐熔硅液面 高度的裝置與方法"，該方法采用激光雙反射法測(cè)量熔硅液面高度，此方法需要配置一個(gè)復(fù) 雜的圖像傳感器，而且需要通過(guò)復(fù)雜的圖像處理算法去求得液面高度，并且不能計(jì)算實(shí)時(shí) 的液面移動(dòng)速率V，以便為控制液面高度提供參考，應(yīng)用范圍有限。申請(qǐng)?zhí)枮?"CN201510361972.8"的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種"非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)及方法"，該方法 也只能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)容器內(nèi)的液位高度，并不能實(shí)時(shí)計(jì)算容器內(nèi)液面的移動(dòng)速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種激光高溫液體高度測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采 用耐高溫、耐干擾的激光束作為測(cè)量光源，能夠在高溫環(huán)境中實(shí)時(shí)測(cè)量高溫液體的液面高 度及液面高度升降速率變化，并對(duì)高溫液體的液位高度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控;本發(fā)明還提供了一 種激光高溫液體高度測(cè)控方法，克服目前檢測(cè)方法算法復(fù)雜，檢測(cè)精度不高等缺陷。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種激光高溫液體高度測(cè)控系統(tǒng)，包括：
[0011]位于待測(cè)液體液面上方且相對(duì)設(shè)置的激光發(fā)射器和激光接收器，激光接收器上與 激光發(fā)射器正對(duì)端面設(shè)置有一接收激光束的面板，該面板的中部設(shè)置一個(gè)中點(diǎn)；
[0012] 驅(qū)動(dòng)單元，用于帶動(dòng)激光發(fā)射器和激光接收器同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0013] 控制器，該控制器用于接收激光束落在面板上形成的光斑與中點(diǎn)之間的距離信 號(hào)，當(dāng)激光束落在面板上形成的光斑與中點(diǎn)之間的距離不為零時(shí)，控制器控制驅(qū)動(dòng)單元帶 動(dòng)激光發(fā)射器和激光接收器同時(shí)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)激光束落在面板上形成的光斑與中點(diǎn)重合時(shí)，控 制器計(jì)算出液面移動(dòng)速率V和當(dāng)前液面高度H1，具體計(jì)算公式如下：
[0014] T0時(shí)刻，將待測(cè)液體的液面加送至一個(gè)液面高度已知的Μ點(diǎn)，此時(shí)液面高度為H0， 激光接收器旋轉(zhuǎn)的角度為Α°，在Τ1時(shí)刻時(shí)，液面上升或者下降至Ν點(diǎn)，此時(shí)液面高度為Η1，激 光接收器旋轉(zhuǎn)的角度為Β°，則液面移動(dòng)速率V為：
[0016]其中AS為液面上升高度，ΛΤ為時(shí)間差，ΛΤ = Τ1-Τ0,其中
[0018]其中L為兩電機(jī)間的距離；
[0019]液面高度Η1計(jì)算公式為：
[0021] Τ2時(shí)刻則以Τ1時(shí)刻的液位高度Η1和激光接收器旋轉(zhuǎn)的角度Β°為已知值計(jì)算出此 時(shí)的液位高度Η2和V2，如此往復(fù)；
[0022] 液位控制栗，用于接受控制器內(nèi)發(fā)出的調(diào)控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高溫容器內(nèi)高溫液體的液 位控制，所述液位控制栗包括液體輸出栗和液體輸入栗，當(dāng)控制器計(jì)算得到的液面移動(dòng)速 率V大于預(yù)設(shè)的移動(dòng)速率閾值V0時(shí)，控制器控制減少液體輸入栗的流量或者增大液體輸出 栗的流量，以減少液面移動(dòng)速率V;當(dāng)控制器計(jì)算得到的液面移動(dòng)速率V小于預(yù)設(shè)的移動(dòng)速 率閾值V0時(shí)，控制器控制增大液體輸入栗的流量或者減少液體輸出栗的流量，以增大液面 移動(dòng)速率V;當(dāng)控制器計(jì)算得到的液面移動(dòng)速率V等于預(yù)設(shè)的移動(dòng)速率閾值V0時(shí)，控制器控 制保持液體輸入栗的流量和液體輸出栗的流量；當(dāng)控制器計(jì)算得到的當(dāng)前液面高度Η等于 或者大于預(yù)設(shè)的液面高度閾值Ht時(shí)，控制器發(fā)布預(yù)警信息，液體輸入栗關(guān)閉。
[0023] 優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)單元為安裝在激光發(fā)射器和激光接收器端部且用于控制激光發(fā) 射器和激光接收器同步轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)。
[0024] -種激光高溫液體高度測(cè)控方法，包括以下步驟：
[0025] S1.激光發(fā)射器和激光接收器的信號(hào)調(diào)零:控制器發(fā)出指令使激光發(fā)射器產(chǎn)生特 定頻率的激光束，控制驅(qū)動(dòng)單元使激光發(fā)射器和激光接收器成水平狀態(tài)，使得激光發(fā)射器 發(fā)射的激光束照射至激光接收器的面板中心，進(jìn)行調(diào)零，調(diào)零完畢后記錄當(dāng)前的位置為零 位置；
[0026] S2.高溫液體液位測(cè)量:開(kāi)啟液體輸送栗將待測(cè)液體的液面加送至一個(gè)液面高度 已知的Μ點(diǎn)，此時(shí)液面高度已知為H0,關(guān)閉液體輸送栗并開(kāi)始加熱，控制器控制驅(qū)動(dòng)單元帶 動(dòng)激光發(fā)射器和激光接收器同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至激光束照射至待測(cè)液體液面，判斷反射的激光 束是否落在激光接收器面板中心，如果"否"，驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射器和激光接收器繼續(xù) 轉(zhuǎn)動(dòng)，直至反射的激光束移動(dòng)到激光接收器面板中心，然后開(kāi)啟液體輸入栗和液體輸出栗， 液面開(kāi)始上升，控制器控制驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)激光發(fā)射器和激光接收器同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至反射的 激光束移動(dòng)到激光接收器面板中心，此時(shí)控制器根據(jù)驅(qū)動(dòng)單元中電機(jī)的移動(dòng)角度和移動(dòng)速 率計(jì)算高溫液體的液面移動(dòng)速率V和當(dāng)前液面高度H1，具體計(jì)算公式如下，具體計(jì)算公式如 下：
[0027] T0時(shí)刻，液面高度位于Μ點(diǎn)，此時(shí)已知液面高度為H0,激光接收器旋轉(zhuǎn)的角度為A°， 在T1時(shí)刻時(shí)，液面上升或者下降至N點(diǎn)，此時(shí)未知液面高度為HI，激光接收器旋轉(zhuǎn)的角度為 B°，則液面移動(dòng)速率V為：
[0029] 其中AS為液面上升高度，ΛΤ為時(shí)間差，ΛΤ = Τ1-Τ0,其中
[0031]其中L為兩電機(jī)間的距離；
[0032]液面高度Η1計(jì)算公式為：
[0034] Τ2時(shí)刻則以Τ1時(shí)刻的液位高度Η1和激光接收器旋轉(zhuǎn)的角度Β°為已知值計(jì)算出此 時(shí)的液位高度Η2和V2，如此往復(fù)；
[0035] S3.高溫液體液位控制:控制器根據(jù)S2中測(cè)得的數(shù)據(jù)控制液體輸出栗或者液體輸 入栗的流量大小，當(dāng)控制器計(jì)算得到的液面移動(dòng)速率V大于預(yù)設(shè)的移動(dòng)速率