專利名稱：激光精密探測液位裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種精密探測液位的裝置，特別是使用激光精密探測水位的裝置。
目前測量液位的方法很多，主要有壓力法、電容法、聲學法、浮子法等等。但上述方法的測量精度不高，在有些場合難以達到使用要求。并且，上述方法中有些傳感器要置于液體之中，這就給設備密封帶來一定困難。本實用新型的測量精度明顯優于上述方法，而且是無接觸測量，對液體設備的密封無影響。
在檢索的文獻中，亦有光學探測液位的報道，但由于它們未考慮液面的精細結構，故探測精度不高，另外，有的未采用激光器做光源受雜散光的影響，使測量精度難以提高。
使用激光器件做光源時，由于激光能量集中，單色性好，擴散角小，可以使測控范圍加大；增加濾光片，對雜光有強抑制，提高了精度。如可以使用激光器做光源用反射式測量熔融狀玻璃和鋼水的液位，這種探測方法用于控制玻璃或鋼水的澆鑄有其獨特的優點。另外，也有使用某種射線(如γ射線)替代光源作液位探測的。但以上各種方法探測液位精度均只達到毫米的量級，在有些應用的場合如反應堆的水位測量上，滿足不了精度要求。
本實用新型的任務是在考慮了液位面精細結構的基礎上，提出一種新的液位測量方法提供一種精密測量液位特別是測量水位的裝置，其探測精度達到±0.1mm，分辨力達到±0.01mm。
本實用新型是基于下述原理和方法的。一般液體或水在玻璃或石英容器中，由于毛細現象，形成液體的虹吸掛壁現象，即由于虹吸現象液面將攀附器壁出現高于水平面的M部分，又由于水分子摩擦力及重力的共同作用，出現下凹的N部分，如附
圖1所示。圖1中(1)是M部分，(2)是水平面，(3)是N部分。當一束平行光平行于水面照射時，由于M與N這兩部分對光線的斜向反射，使容器另一側形成的光學圖象呈現附圖2所示的情況，即中間暗兩端亮的影象。上部的影象部分(4)由于光垂直器壁照射，使成象光亮；下部影象部分(7)由于水是均勻介質，故成象也清晰。中間部分(5)由于M和N兩部分的作用，使這區間的光線反射到另外方向，形成暗象。我們稱這種現象為液位的“棱鏡效應”。這種液位的特有現象就構成了精確探測液位的光學基礎，即本實用新型的基礎。附圖2中(5)和(7)的交界線(6)記為“L”，則L線的高度標示了液位的高度。L線的高度與真實的液面高度有一個恒定的差值。反復實驗證明，對于水來說，這一差值為1mm左右，可以精確測定。本實用新型采用激光器作光源，提高了抗干擾能力。在光學圖象一邊使用電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件置于象面上則可測出L線的高度，從而精確測出液位高度。上述激光器、CCD器件，置于一個測量滑臺上。測量滑臺有三級測量控制系統，控制由步進電機等構成的升降機構，使測量滑臺隨液位的升降而上下滑動。測量滑臺的最終位置由光柵尺精確給出。
本實用新型提供的激光精密探測液位裝置，由于考慮了液面的精細結構，從而使經典的光學方式測液位的方法提高精度1到2個數量級，精度達到±0.1mm，分辨力達±0.03mm，且單向重復性很高。完全滿足反應堆水位精密測控的要求。
下面結合一個實施例及附圖，進一步對本實用新型作詳細說明。
圖3是激光精密水位計構造示意圖；圖4是激光精密水位計的電子線路方框圖。
由圖3可以看到，激光器(13)等全部測量部件都裝置在測量滑臺(19)上，測量滑臺(19)由步進電機(8)通過蝸輪付(26)，繞線軸(27)，鋼絲繩(24)，滑輪Ⅰ(15)，滑輪Ⅱ(16)，配重(25)組成的升降機構，可以沿玻璃或石英玻璃制作的水容器管(28)，根據水位的高低上下移動。測量滑臺(19)的位置可以由光柵定尺(17)和固定在測量滑臺(19)上的光柵動尺(23)精確給出。測量滑臺(19)隨水位的高低移動，最后精確定位在水位面上，其測量控制系統有三級。頭一級是在水容器(28)管壁上安裝的一系列壓力傳感器，圖中畫出了兩個壓力傳感器Ⅰ(10)和壓力傳感器Ⅱ(9)，它們提供的水位信號可以使測量滑臺(19)在厘米級隨動水位。第二級控制是裝在測量滑臺(19)上的光敏器件(22)，光欄(21)，反射凹鏡(11)組成的光學反射式水位測量系統。該系統給出的水位信號可以使測量滑臺在毫米量級隨動水位。第三級即本實用新型提供的探測方法和測控系統。安裝在測量滑臺(19)上的穩定光強的激光器(13)發出的激光束經擴束器(12)成為平行激光束。該激光束平行水面穿過水容器管(28)，在水容器管(28)的另一側，電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)接收光學圖象。將標志水位的L線位置，即水位的數據經過接口電路輸入計算機，數據經過計算機處理，如L線與實際液位差常量修正等，控制步進電機(8)使測量滑臺(19)準確到±0.1mm定位在水平面的位置上。在CCD器件之前，裝有可以濾掉其他雜散光的濾光片(29)。測量滑臺(19)的位置可以由光柵動尺(23)和光柵定尺(17)精確讀出。測量滑臺(19)上裝有做導向用的軸承(18)。水容器管(28)有連通管(14)與水箱相連。本實施例使用的濾光片僅使780μm波長的激光束通過；CCD器件選用象素寬度為12.6μm、共有2048個象素單元。通過8位A／D變換器對每個象素信號進行細分，可以得到十分之一象素的有效分辨力，即±1.26μm。本實施例提供的精密水位計的技術指標是分辨力為±0.03mm，精度±0.1mm，作為反應堆專用水位計使用。
圖4是激光精密水位計的電子線路方框圖。圖中圖象傳感器CCD(20)，光敏器件(22)，壓力傳感器Ⅰ(10)和壓力傳感器Ⅱ(9)，及行程開關(30)提供三級的水位測控信號。這些信號通過接口電路(22)進入微計算機A(33)，微計算機A(33)對所有這些信號綜合處理之后，控制步進電機電源(36)，達到測量滑臺隨水位移動，最后精確到±0.1mm量級定位。光柵動尺和光柵定尺在測量滑臺最后定位時，給出的讀數信號(31)經接口電路(35)亦進入微計算機A(33)。微計算機B(34)接收微計算機A(33)測得的水位數值，一方面按要求控制進行數字顯示(41)，或發光管顯示(40)，或通過數據輸出電路(38)將有關數據傳給中心計算機(42)，也接受控制鍵盤(39)的輸入對整個測控系統進行人工控制。(37)是本裝置使用的穩壓電源。
權利要求1.一種激光精密探測液位裝置，由測量滑臺(19)，裝在測量滑臺上的激光器(13)，電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)，步進電機(8)及其附件構成的測量滑臺升降系統組成，其特征在于激光器(13)和電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)分裝在水容器管(28)的兩側成一直線的位置上，測量滑臺(19)隨動液位的控制系統由壓力傳感器測控系統，光反射測控系統和激光精密液位系統三級構成，測量滑臺(19)的最終位置讀數由光柵尺系統給出。
2.根據權利要求1所述的激光器和電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件，其特征在于二者之間還裝有激光擴束器(12)和濾光片(29)。
3.根據權利要求1或2所述的濾光片其特征在于只能使780μm波長的激光束通過。
4.根據權利要求1所述的CCD器件其特點是其所測到的圖象信號又經一個8位的A／D轉換器對每個象素信號進行細分，而得到十分之一象素的分辨力。
5.根據權利要求1或4所述的CCD器件及A／D變換器對象素的細分，其特點是使用象素寬度為12.6μm的CCD器件及8位A／D變換器，得到有效分辨力±1.26μm。
6.根據權利要求1所述的壓力傳感器測控系統，其特點在于是由裝在水容器管(28)中的壓力傳感器Ⅰ(10)，壓力傳感器Ⅱ(9)或更多壓力傳感器及接口電路組成。
7.根據權力要求1所述的光反射測控系統其特點在于是由光敏器件(22)，光欄(21)，反射凹鏡(11)組成，并裝置在測量滑臺(19)上，分置于水容器管的兩側。
8.根據權利要求1所述的光柵尺系統其特征在于是由固定在測量滑臺上的光柵動尺(23)和固定連接在水容器管(28)上的光柵定尺(17)組成。
專利摘要本實用新型提供一種精密探測液位的裝置，它利用了液位棱鏡效應，使用了強度穩定的激光器為光源，使用電荷耦合圖象傳感器CCD器件作圖象信號檢測接收裝置和使用了一系列濾除雜散光的濾光片，使液位探測精度提高到±0.1mm，分辨力達到±0.01mm。本實用新型提供的一個激光精密水位計實際測量結果是精度±0.1mm，分辨力±0.03mm，應用于反應堆水位精密測量，取得滿意結果。
文檔編號G01F23/28GK2101218SQ91224520
公開日1992年4月8日 申請日期1991年9月10日 優先權日1991年9月10日
發明者王洪烈, 李小梅, 趙晨 申請人:北京光電技術研究所