氣動光纖精密液面計的製作方法

2023-04-23 06:13:26 1

專利名稱：氣動光纖精密液面計的製作方法
技術領域：
本發明涉及液面測量裝置，尤其是大型貯油罐的液面自動測量顯示裝置。
大型貯油罐由於體積巨大(萬噸貯油罐1毫米液面就有600～800公斤)，又易燃易爆，因此要求液面測量儀測量精度高、防爆性能好。已知的貯油罐液面測量儀，由現場測量系統和遠距離計數顯示系統構成。一種吹氣式液面計，從貯罐頂通過一根管子向罐底吹入壓縮空氣，通過測量吹氣壓力，測出液面的高度，這種液面計測量精度最高只能達到0.5%，但它防爆，所以用戶在無其他選擇的情況下仍普遍使用這種液面計。另一種靜壓式液面計，在貯罐底部裝一引出管，測量罐底壓力以反映液面高度，這種液面計測量精度也只能達到0.5%，而且它仍有電源接入測量現場，仍存在爆炸危險。綜上所述，已知的大型貯油罐液面測量儀，防爆性能和測量精度遠達不到用戶要求。
本發明的目的就是提供一種能自動測量顯示、測量精度高、無爆炸危險的液面測量儀。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
本發明由變送裝置和信號處理系統構成，變送裝置是一閉環測量系統，一般放置於被測貯罐罐頂，以壓縮空氣為動力，包括浮標、鋼絲繩、卷繩輪、比較槓桿、阻尼器、自校裝置、光碟碼盤，以及由兩個對稱放置的噴嘴擋板放大器、兩個氣動功率放大器、氣馬達、減速器構成的驅動迴路，比較槓桿由鉸鏈支撐，鋼絲繩一頭連接浮標，中間跨繞在比較槓桿上，另一頭固定並卷繞在卷繩輪上，比較槓桿的轉動控制兩個噴嘴擋板放大器擋板的轉動，噴嘴擋板放大器的輸出經對應的氣動功率放大器放大後，推動氣馬達正向或反向旋轉，氣馬達輸出軸與減速器輸入軸相連，卷繩輪和光編碼盤同軸，裝在減速器輸出軸上，光編碼盤上開有小孔，有一光源，發出的光通過發射光纖傳輸到光編碼盤上的小孔的一側，從光編碼盤上的小孔的另一側輸出隨著光編碼盤轉動而變化的光信號，通過放在編碼盤小孔另一側的接收光纖送到遠離測試現場的信號處理系統。
變送裝置中光編碼盤上沿其園柱面等距離地開有兩圈方形小孔，小孔可以是正方形也可以是長方形的，左側一圈孔各孔的一個邊緣對準右側一圈孔各孔的中心線，左側各孔的另一個邊緣對準右側相鄰兩孔之間的中心線，兩條發射光纖放在光編碼盤的一側，兩條接收光纖放在光編碼盤的另一側，發射光纖與接收光纖的中心對應，並對準光編碼盤上的小孔。
為了在光纖遠端獲得較大的功率，除儘量改善耦合效果外，應採用較高亮度的光源，如雷射器等。
變送裝置中的卷繩輪用鎳鋼(36%，Ni)製造而成。
變送裝置中的減速器為蝸杆蝸輪減速器。
變送裝置中的自校裝置由定值器、自校開關和波紋管組成。
變送裝置中的兩個噴嘴擋板放大器的噴嘴擋板是對稱放置在比較槓桿的兩側。
本發明的變送裝置以壓縮空氣為動力，採用浮標、卷繩輪、鋼絲繩直接測量，用光編碼盤採集信號，用光纖傳輸信號，使電源、光源和信號處理系統遠離測試現場，使得液面計無爆炸危險。根據本液面計的設計方案，在卷繩輪直徑確定之後，液面計的最低分度值決定於光編碼盤上的孔數，只要選擇好卷繩輪直徑和光編碼盤上孔數的合適參數，並保證足夠的加工精度，可使液面計具有足夠高的測量精度，按理論測算，本液面計的絕對誤差可以小於±1毫米，而且可做到遠距離自動顯示、記錄和自校。
以下結合附圖描述本發明的一個實施例。


圖1，本發明系統原理圖;
圖2，光編碼盤結構放大示意圖;
圖3，圖2的A向視圖;
圖4，圖2的B-B剖面;
圖5，圖2的C-C剖面;
圖6，光編碼盤正向旋轉時，接收光纖(33)D點、接收光纖(34)F點接收到的光脈衝波形圖;
圖7，光編碼盤反向旋轉時，接收光纖(33)D點、接收光纖(34)F點接收到的光脈衝波形圖。
參照圖1、2、3、4、5，(4)是主軸，(7)是減速器，(5)、(6)分別是減速器(7)的蝸輪、蝸杆。蝸輪(5)裝在主軸(4)上，主軸(4)一端裝有光編碼盤(37)，另一端裝有卷繩輪(3)，比較槓桿(23)由鉸鏈(26)支撐，其上裝有壓杆(22)。比較槓桿(23)左端下方有一阻尼器(24)，用以增加系統穩定性。右端下方有一平衡拉簧(25)，右端上方有一個由波紋管(27)、定值器(28)、自校開關(29)構成的自校裝置(30)。鋼絲繩(2)連接浮標(1)跨繞在比較槓桿(23)上，並作用於比較槓桿(23)，另一頭固定並卷繞在卷繩輪(3)上。貯罐(38)液面靜止時，液面對浮標(1)產生一定浮力，比較槓桿(23)在鋼絲繩(2)和平衡拉簧(25)作用下保持平衡。(9)是氣馬達，其輸出軸(8)與蝸杆(6)同軸，(10)、(11)是兩個氣動功率放大器，(12)、(13)是兩個噴嘴擋板放大器，它們構成一氣動驅動迴路。噴嘴擋板放大器(12)、(13)的擋板(16)、(17)分別繞鉸鏈(18)、(19)轉動，並分別在拉簧(20)、(21)作用下，緊貼壓杆(22)的觸點，隨壓杆(22)的轉動而轉動。(37)是光編碼盤，在其園柱面上等距離開有兩圈方形小孔(35)、(36)，小孔(35)、(36)的形狀、大小相同。發射光纖(31)、(32)放在光編碼盤(37)內側，接收光纖(33)、(34)放在光編碼盤(37)外側，也可互換。發射光纖(31)和接收光纖(33)對準左側一圈孔(35)中一孔的一個邊緣，此時，發射光纖(32)和接收光纖(34)對準右側一圈孔(36)相鄰兩孔之間的中心線;發射光(31)和接收光纖(33)對準左側一圈孔(35)中一孔的另一個邊緣時，發射光纖(32)和接收光纖(34)對準右側一圈孔(36)各孔的中心線。(39)是氣源。
圖6給出的是，光編碼(37)正向旋轉時，接收光纖(33)D點、接收光纖(34)F點接收到的光脈衝波形圖。圖7給出的是，光編碼盤(37)反向旋轉時，接收光纖(33)D點、接收光纖(34)F點接收到的光脈衝波形圖。
本發明的液面計工作原理如下貯油罐內液面靜止時，液面對浮標產生一定浮力，比較槓桿處於平衡位置，氣馬達靜止不動。貯油罐內液面變化時引起浮標浮力變化，通過鋼絲繩作用於比較槓桿而改變擋板的位置，進而控制氣馬達正向或反向旋轉，經減速器驅動光編碼盤和卷繩輪正向或反向旋轉，卷繩輪旋轉帶動鋼絲繩使浮標跟隨液面變化而升降，直至停留在新的液面上，達到平衡。其工作過程是這樣的，當液面下降(或上升)時，浮標被懸空(浮起)，鋼絲繩對比較槓桿的作用力增大(或減小)，比較槓桿離開中間位置逆時針(順時針)轉動，使兩個噴嘴擋板放大器中的一個(另一個)擋板靠近噴嘴，間隙減小，其背壓升高，經功率放大器放大後，推動氣馬達正向(或反向)旋轉，從而帶動減速器驅動卷繩輪旋轉，使浮標被放下(或提升)，一旦浮標受到的浮力恢復正常，比較槓桿復位，擋板復位，兩個噴嘴洩壓，卷繩輪停止轉動。此過程中卷繩輪放鬆(卷繞)的鋼絲繩的長度即為液面下降(或上升)的高度。與此同時，光編碼盤與卷繩輪同軸旋轉，光編碼盤旋轉的角度(即轉過的孔數)反映了液面下降(或上升)的高度。
當光編碼盤旋轉時，每條接收光纖接收到的光信號為連續的光脈衝波形，設兩孔之間的脈衝為一個周期(2π)，根據光編碼盤上開的方形小孔的位置情況分析得出，左右兩條接收光纖接收到的光脈衝波形相差1/4周期(π/2)，當被測液面降低時，光編碼盤正向旋轉，接收光纖(33)接收到的光脈衝波形比接收光纖(34)接收到的光脈衝波形超前1/4周期(π/2);當被測液面升高時，光編碼盤反向旋轉，接收光纖(34)接收到的光脈衝波形比接收光纖(33)接收到的光脈衝波形超前1/4周期(π/2)，圖6、圖7為光編碼盤正、反向旋轉時接收光纖接收到的光脈衝波形示意圖。上述光脈衝波形信號通過接收光纖傳輸到遠離測試現場的信號處理系統進行處理，信號處理系統包括光電轉換電路，位移辯向電路、可逆計數器、數字顯示儀表、電源等。首先將接收到的光脈衝信號通過光電轉換電路變為與光脈衝波形相同的電脈衝信號，然後將該電脈衝信號送到位移辯向電路，位移辯向電路由R-S觸發器和與非門邏輯電路組成，該電路利用了上述接收光纖(33)、(34)接收到的光脈衝波形信號相差1/4周期(π/2)這個特徵，產生辯別出光編碼盤旋轉方向的方向信號，作為控制信號送到可逆計數器的加法母線和減法母線，控制可逆計數器作加法計數或減法計數，同時位移辯向電路產生光編碼盤旋轉的孔數的計數脈衝信號，送到可逆計數器進行計數。可逆計數器的輸出經解碼後用數字顯示儀表顯示出來，儀表顯示的數字即為被測液面的高度。具體設計的一種方案為，光編碼盤(37)園柱面上等距離開有的兩圈方形小孔各為250個，主軸每旋轉一周，卷繩輪使鋼絲繩移動的長度是250毫米，光編碼盤發出250對脈衝，每對脈衝代表1毫米。這樣液面每升高1毫米，可逆計數器加1，液面每降低1毫米，可逆計數器減1，即液面計最小分度值為1毫米。可逆計數器設有人工預置裝置，在進行儀表自校時使用，如儀表顯示的數字不合要求，則用人工調整的方法將數字調整到合乎要求。
自校裝置用以校對貯罐的最高液面，打開「自校開關」，定值器向波紋管充氣，波紋管伸長，其自由端接觸比較槓桿，並對比較槓桿施加一個力。比較槓桿發生順時針轉動，通過噴嘴擋板放大器，功率放大器控制氣馬達驅動卷繩輪旋轉，徐徐提升浮標，當浮標升至與罐內頂面接觸時，浮標運動受阻停止。鋼絲繩的拉力克服了波紋管的作用力，比較槓桿逆時針轉動，擋板離開噴嘴，噴嘴洩壓，氣馬達停止轉動。卷繩輪通過鋼絲繩作用於比較槓桿的力與波紋管對槓桿的作用力相平衡。此時，顯示儀表應顯示出貯罐最高液面數字。如儀表顯示的數字不符合要求，可在信號處理系統中的可逆計數器上人工預置。
「自校開關」關上後，波紋管洩壓，對槓桿作用力消失，比較槓桿產生逆時針轉動，卷繩輪通過鋼絲繩放下浮標。下降至實際液面時，浮標受一定浮力，鋼絲繩對比較槓桿作用力減少，擋板離開噴嘴，噴嘴洩壓，系統停止運動，顯示儀表顯示出實際液面高度的數字。
權利要求
1.氣動光纖精密液面計，由變送裝置和信號處理系統組成，其特徵在於變送裝置是一個閉環測量系統，包括浮標(1)、鋼絲繩(2)、卷繩輪(3)、比較槓桿(23)、自校裝置(30)、光編碼盤(37)、氣源(39)以及由兩個對稱放置的噴嘴擋板放大器(12)、(13)，兩個氣動功率放大器(10)、(11)、氣馬達(9)、減速器(7)構成的驅動迴路，比較槓桿(23)由鉸鏈(26)支撐，鋼絲繩(2)一頭連接浮標(1)，中間跨繞在比較槓桿(23)上，另一頭固定並卷繞在卷繩輪(3)上，比較槓桿(23)的轉動控制兩個噴嘴檔板放大器(12)、(13)的擋板(16)、(17)的轉動，噴嘴擋板放大器(12)、(13)的輸出經對應的氣動功率放大器(10)、(11)放大後推動氣馬達(9)正向或反向旋轉，氣馬達(9)的輸出軸(8)為減速器(7)的輸入軸，卷繩輪(3)和光編碼盤(37)同軸裝在減速器(7)的輸出軸(主軸)(4)上，光編碼盤(37)上開有小孔(35)、(36)，有一光源發出的光通過發射光纖(31)、(32)傳輸到光編碼盤(37)的小孔(35)、(36)的一側，從光編碼盤(37)的小孔(35)、(36)的另一側輸出隨著光編碼盤(37)旋轉而變化的光信號，通過接收光纖(33)、(34)送到信號處理系統。
2.根據權利要求1所述的氣動光纖精密液面計，其特徵在於所述的光編碼盤(37)上沿其園柱面等距離地開有兩圈方形小孔(35)、(36)，左側一圈孔(35)各孔的一個邊緣對準右側一圈孔(36)各孔的中心線，左側各孔(35)的另一個邊緣對準右側相鄰兩孔(36)之間的中心線，兩條發射光纖(31)、(32)放在光編碼盤(37)一側，兩條接收光纖(33)、(34)放在光編碼盤(37)的另一側，發射光纖(31)、(32)與接收光纖(33)、(34)的中心對應，並對準光編碼盤(37)上的小孔(35)、(36)。
3.根據權利要求1所述的氣動光纖精密液面計，其特徵在於所述的卷繩輪(3)是用鎳鋼(36%，Ni)製造而成。
4.根據權利要求1所述的氣動光纖精密液面計，其特徵在於所述的減速器(7)是蝸杆蝸輪減速器。
5.根據權利要求1所述的氣動光纖精密液面計，其特徵在於所述的自校裝置(30)由定值器(28)、自校開關(29)和波紋管(27)構成。
6.根據權利要求1所述的氣動光纖精密液面計，其特徵在於所述的兩個噴嘴擋板放大器(12)、(13)中的噴嘴(14)、(15)，擋板(16)、(17)是對稱放置在比較槓桿(23)的兩側。
全文摘要
氣動光纖精密液面計，由變送裝置和信號處理系統組成。變送裝置為一閉環測量系統，以壓縮空氣為動力，採用浮標、鋼絲繩、卷繩輪直接測量，其測量信號經光編碼盤轉變為光信號，由光纖傳輸到信號處理系統，將光信號變為電信號，經過處理，用顯示儀表將反映液面高低的數據顯示出來。本液面計做到無電源引入測試現場，因而無爆炸危險，而且測量精度高，絕對精度可小於±1毫米，可廣泛用於貯油罐的液面測量。
文檔編號G08C19/36GK1074035SQ9211165
公開日1993年7月7日 申請日期1992年10月20日 優先權日1992年10月20日
發明者胡德進 申請人:胡德進