用於液面高度測量的光電探頭的製作方法
2023-11-05 08:08:42 1
專利名稱：用於液面高度測量的光電探頭的製作方法
技術領域：
本實用新型為一種光電轉換裝置，用於液面高度測量，尤其適用於鍋爐水位測量。
目前常用的鍋爐水位測量傳感器有磁控式、電感式、浮球式、電極點式等種類，但分別存在容易損壞、維修困難、可靠性不高等弱點。由於光電元件壽命長、性能穩定、可進行非接觸式測量，利用它們構成的光電液位傳感器工作可靠性高的優點十分明顯。中國專利89211254.9所公開的光電式傳感器是由水位計、水位計一側的照明燈泡以及相對一側縱向排列的六隻光電管構成，水位計橫截面是一特定尺寸多邊形，由於水和蒸氣折射率不同，對應於水位計有水部位的光電管可接收到燈光折射信號，而對應蒸氣部位的光電管不能接收到燈光信號，光電管輸出控制電信號。該傳感器的光源為燈泡，其壽命較短，需經常更換，由於水直接進入水位計，易形成水垢，需定期清洗，且測量精度較低，僅能測量6點水位，若要提高測量精度，即增加測量點數，則要增加相應數量的光敏元件，信號線根數及放大電路，導致成本增加，給製造、安裝及維修帶來不便。
本實用新型目的在於提供一種壽命長、使用方便、無需經常清洗維護、便於以低成本提高測量精度的光電式傳感器。
為實現所述目的，本實用新型的光電探頭包括取樣光窗及縱向排列在其兩側的發光元件和光敏元件，發光元件由驅動電路驅動，光敏元件輸出信號經濾波放大後輸出，特別採取了如下措施(1)所述取樣光窗由座體、平板玻璃、夾板組成，座體縱向開有內孔道，內孔道頂端封閉，內孔道中段有貫穿座體的條狀透孔，夾板將兩塊平板玻璃平行壓緊在座體上封閉條狀透孔形成窗口；(2)所述發光元件和光敏元件個數相同，在取樣光窗窗口兩側一一相對縱向排列；(3)所述光電探頭還包括編碼杆和浮子，編碼杆上部有長短不一的透光孔，構成編碼區，編碼杆下端垂直安裝在浮子上，編碼杆上端伸入所述取樣光窗座體內孔道，編碼區可相對於取樣光窗窗口上下移動。
所述的光電探頭，可以選擇所述發光元件和光敏元件個數為6—8對，每對之間由發光元件——導光棒——取樣光窗——導光棒——光敏元件形成光路。
所述的光電探頭，選擇所述發光元件和光敏元件個數為6對時，每對之間可縱向均勻間隔1單位距離，所述編碼杆從頂端向下編碼區排列依次為5.5單位長度遮光區、3.5單位長度透光孔、1.5單位長度遮光區、1.5單位長度透光孔、3.5單位長度遮光區、1.5單位長度透光孔、1.5單位長度遮光區、3.5單位長度透光孔，以下為與浮子連接段，編碼杆向上行程限制在22單位長度以內。
為減少光敏元件輸出信號後續電路的數量，可對所述光電探頭進一步採取如下措施(1)所述驅動電路由振蕩電路、解碼電路和功率放大電路組成，振蕩電路產生1KHz—200KHz頻率信號，經解碼電路和功率放大電路，驅動發光元件輪流發光；(2)所述光敏元件可並聯成一組，或間隔一位並聯為二組，或間隔二位並聯為三組，或間隔三位並聯為四組，其輸出經對應數量的前置放大電路、濾波電路和比較器後，輸出高低電平。
採用本實用新型的光電探頭作為液面高度傳感器，浮子位於液面隨水位高低而升降，編碼杆隨之上下移動，取樣光窗高於最高液面，液體不進入內孔道，因此避免了水質的影響，無需經常清洗。光電式測量結構簡單、故障率低，發光元件和光敏元件可以離開高溫物體一定距離，不受高溫影響，不易換壞、可靠性高。採用編碼杆使得6—8對發光元件和光敏元件可以測量二、三十單位距離量程的液面變化，由於採用輪流發光方式，可大大減少前置放大和濾波電路數量，欲增加量程或提高測量精度，僅需增加一、二對發光元件和光敏元件，所費甚少，該傳感器與二次儀表聯接可構成壽命長、可靠性高、功能齊全的水位示控儀。
圖1為光電探頭及其安裝示意圖；圖2為取樣光窗結構示意圖；圖3為光電元件排列示意圖；圖4為六位編碼杆及對應的編碼表；圖5為驅動發光元件輪流發光的一種電路；圖6為光敏元件並聯為一組的後續電路。
由圖1，取樣光窗A、發光元件B、光敏元件C、編碼杆D和浮子E構成的光電探頭，通過法蘭L固定在水錶柱F上，由導向杆G限制編碼杆D的運動方向，水錶柱通過汽連管H，水連管1與鍋筒相通，水錶柱F上可同時裝有目視觀察用的水位計J。水錶柱F中的水位與鍋筒中的水位是一致的，當鍋筒中水位上升或下降時，水錶柱中的浮子E隨水位的變化而帶動編碼杆D上升或下降移動，從而使水位信號轉化為編碼杆的遮通光信號，經過發光元件B、光敏元件C和光電轉換電路送到二次儀表進行處理。
圖2表示取樣光窗，其結構與目前廣泛使用的平板玻璃水位計的結構基本相同，用夾板A—3將平板玻璃A—2壓緊在座體A—1上，平板玻璃A—2與座體A—1和夾板A—3的接觸部分均加入密封墊A—4，平板玻璃A—2上不得有溝槽，以免光線散射過開，夾板A—3本身是靠螺母螺栓鎖緊的。座體A—1縱向開有內孔道，其形狀與尺寸應與編碼杆D相仿且略大、內孔道下段設有導向口A—6，與圖1中導向杆G一起構成導向機構，對編碼杆D起導向作用，保證編碼杆D在運動過程中不被卡死。取樣光窗A通過法蘭L固定在水錶柱上。
圖3表示發光元件B和光敏元件C在取樣光窗A兩側一一相對縱向排列。發光二極體B間距1cm等距離縱向安裝在電路板Q上，光電管C(光電二極體或光電三極體)等距離安裝在另一面的電路板上，導光棒M採用透光玻璃或金屬管，用固定板P固定在對準發光二極體B和光電管C的位置，起導光和防塵作用。隔熱玻璃N減少取樣光窗外表面附近熱空氣對發光元件和光敏元件的影響。濾光板O的作用是進一步防止光串擾。發光元件和光敏元件兩部分電路和光路外加防塵罩R，定好位後可用密封膠密封嚴實，防止外部灰塵落入其中，用細螺栓聯在取樣光窗窗口的兩側外表面上。當編碼杆D上下移動時，發光管B發出的光就會通過取樣光窗窗口、編碼杆的透光孔照射到對面的光電管上，當光被編碼杆的遮光區遮擋時，對面的光電管就接收不到光，這樣光電元件將探測到的光編碼信號經光電轉換變為電編碼信號。
圖4表示發光元件和光敏元件個數為6對時，編碼杆的一種實例及對應的編碼表。6對光電元件間距1cm均勻排列，從編碼杆的頂端向下，編碼區的尺寸為5.5cm遮光區、3.5cm透光孔、1.5cm遮光區、1.5cm遮光區，3.5cm遮光區、1.5cm透光孔、1.5遮光區、3.5cm透光孔，以下為與浮子連接段，向上總行程限制在22cm以內。由於編碼杆D只起遮光和透光作用，要求不高，可以用薄鋁材製作，降低了浮子承受的重量，可使浮子設計時壁厚增加，以提高耐壓性。編碼杆寬度可為10—15mm，透光孔寬度可做成4—6mm。全量程22cm共有23組代碼，其中液位為9.5—22cm位置每格(cm)對應兩組編碼，見圖4左側編碼表，其測量精度為半格(cm)。
圖5表示發光管輪流發光的驅動電路由振蕩器電路、選通脈衝產生電路，經解碼電路和功率放大電路組成，解碼電路可選用74HC138晶片、功率放大電路可採用1413晶片，電路與發光管連接方式如圖示，發光管可選用SE303A，光脈衝的頻率可為4KHz，佔空比1∶1，由二次儀表控制，R1為限流電阻，可取為20歐姆，發光管導道電流為300mA左右。
圖6表示光電二極體並聯成一組，光電管選用PH302，接收光脈衝信號，由運放構成的帶通濾波放大電路將電壓信號放大後進入比較器，放大電路通頻帶中心頻率與光脈衝調製頻率相等，可為4KHz，圖6中運放選用LM324，構成四級有源帶通濾波，放大倍數為80dB以上，電平比較器可選用LM311、LM393或LM339，輸出送給二次儀表。
驅動電路中振蕩器電路可以放在光電探頭中，也可以由二次儀表電路產生，而選通脈衝信號需二次儀表給出，這樣接收到的電平信號可以保證二次儀表的位對應讀取。光電探頭送出的電平信號送到二次儀表中經位對應讀取為編碼信號，查編碼表解碼為水位數位訊號，供水位顯示、報警、控制等用。解碼過程可用單片機軟體實現或硬體解碼電路完成。
權利要求1.一種用於液面高度測量的光電探頭，包括取樣光窗及縱向排列在其兩側的發光元件和光敏元件，發光元件由驅動電路驅動，光敏元件輸出信號經濾波放大後輸出，其特徵在於(1)所述取樣光窗由座體、平板玻璃、夾板組成，座體縱向開有內孔道，內孔道頂端封閉，內孔道中段有貫穿座體的條狀透孔，夾板將兩塊平板玻璃平行壓緊在座體上封閉條狀透孔形成窗口；(2)所述發光元件和光敏元件個數相同，在取樣光窗窗口兩側一一相對縱向排列；(3)所述光電探頭還包括編碼杆和浮子，編碼杆上部有長短不一的透光孔，構成編碼區，編碼杆下端垂直安裝在浮子上，編碼杆上端伸入所述取樣光窗座體內孔道，編碼區可相對於取樣光窗窗口上下移動。
2.如權利要求1所述的光電探頭，其特徵在於所述發光元件和光敏元件個數為6—8對，每對之間由發光元件——導光棒——取樣光窗——導光棒——光敏元件形成光路。
3.如權利要求2所述的光電探頭，其特徵在於所述發光元件和光敏元件個數為6對，每對之間縱向均勻間隔1單位距離，所述編碼杆從頂端向下編碼區排列依次為5.5單位長度遮光區、3.5單位長度透光孔、1.5單位長度遮光區、1.5單位長度遮光區、3.5單位長度遮光區、1.5單位長度透光孔、1.5單位長度遮光區、3.5單位長度透光孔，以下為與浮子連接段。
4.如權利要求1、2或3所述的光電探頭，其特徵在於(1)所述驅動電路由振蕩電路、解碼電路和功率放大電路組成，振蕩電路產生1KHz—200KHz頻率信號，經解碼電路和功率放大電路，驅動發光元件輪流發光；(2)所述光敏元件可並聯成一組，或間隔一位的並聯為二組，或間隔二位並聯成三組，或間隔三位並聯成四組，其輸出經對應數量的前置放大電路、濾波電路和比較器後，輸出高低電平。
專利摘要用於液面高度測量的光電探頭，由取樣光窗、排列在其兩側的發光元件和光敏元件、隨浮子沉浮而在取樣光窗內上下移動的編碼杆構成，編碼杆上部有長短不一的透光孔，使得6-8對發光元件和光敏元件可測量二、三十單位距離量程的液面變化。本探頭不受水質、溫度影響，無需經常清洗、不易換壞、可靠性高，易於以低成本增大量程和提高測量精度，與二次儀表聯接可構成功能齊全的水位示控儀，適用於蒸汽鍋爐等高溫、高壓、液面易汙染的場合。
文檔編號G01F23/22GK2244184SQ9520930
公開日1997年1月1日 申請日期1995年4月20日 優先權日1995年4月20日
發明者張昌如, 黃 俊, 馮啟明 申請人:張昌如, 黃 俊, 馮啟明