专利名称：圆光栅光导防爆液位测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液位测量仪器，适用于石油、化工等领域中，对易燃、易爆液体的液位远距离、大量程、精确而安全地测量与控制。
目前，国内、外市场出售的各种液位测量仪器，它们普遍存在的主要缺点1、可以对液体的液位高精度测量的，而不能从本质上防爆，因为它们安装在被测液体容器上和工作区内的传感系统和测量装置上都含有电子元器件；2、能够从本质上防爆的，而不能对液体的液位大量程、高精度地测量，因为它们的测量基准器的测量误差较大，或测量基准器的量程受到限制。
本发明的目的是提供一种在被测液体容器上和工作区内不含有电子元器件可本质上防爆的；测量基准器的测量误差极小、量程不受限制的；测量时不受外界温度变化影响，高精度、可远距离直接测量的液位测量仪。
为达到上述目的，本发明设计采用圆光栅光导防爆液位测量仪，具有供电电源(A6)，两支红外发光管(1-9)，终端带有光学透镜(1-4)的两路入射光纤(1-7)，两组始端带有光学透镜(1-13)的出射光纤(1-14)，两支光电接收器(1-15)，其特征在于，采用圆光栅付作测量基准器，用光纤传递莫尔条纹光信号，固定在浮盘(1-22)上的钢丝缆(1-21)与支承在保持架(1-11a)上的传动轮(1-1)的导向槽中固定，与传动轮固定的主轴(1-3)上还固定有圆主光栅(1-6)，主轴(1-3)在圆副光栅(1-5)的中心孔中自由转动，圆副光栅(1-5)和圆主光栅(1-6)顺光路方向依次设置在入射光纤和出射光纤的光学透镜(1-4)，(1-13)之间，两支光电接收器(1-15)输出的电信号分别输入两放大电路(1-16)，两整形电路(1-17)，四倍频电路(1-18)，数据处理和显示电路(1-19)。
以下结合附图通过实施例作进一步说明。
图1是圆光栅光导防爆液位测量仪的示意草图；图2是圆光栅光导防爆液位测量仪的部分结构图；图3是圆光栅光导防爆液位测量仪的电学系统方框图。
本发明采用一对圆光栅付作为液位测量仪的测量基准器，因为圆光栅是当代高精度的圆分度基准器，其精度可高达±0.1角秒的水平，且具有基准分度刻线呈360°闭环均布抗环境温度波动性强、稳定性好、测量范围可不受限制，所以采用圆光栅作测量基准器，可实现液位的大量程、高精度地测量；本发明采用由光源、光学透镜、光导纤维所组成的光学系统提供圆光栅付的照明和传输圆光栅付产生的莫尔条纹基准测量光信号，使得液位测量仪在被测液体容器上和工作区内无电子元器件和无电缆，由于光导纤维具有传输光能损耗低、不带电、抗干扰性强的特性，所以采用该光学系统可以实现对液位远距离的测量和实现本质上防爆。
本发明由四部分所组成，详见图1，图2，(1)光学系统，包括两组入射光纤1-7、两块光学透镜1-4，圆主光栅1-6，圆副光栅1-5，两块光学透镜1-13，两组出射光纤1-14；(2)电学系统，包括两支红外发光管1-9，电源A6，两支光电接收器1-15，两路放大电路1-16，两路整形电路1-17，四倍频电路1-18，数据处理和显示电路1-19，电器箱1-12a，(3)执行机构，包括传动轮1-1，可设弹性联轴节1-2，钢丝绳1-21，浮盘1-22，滑轮1-23，滑轮架1-24；(4)主体结构，包括除光学系统、电学系统、执行机构之外的全部构件。
本发明设计测量原理见图2，原理数学表达式为h＝2πR×S/360°……(1)式中，h为被测液体液位S为角位移量，R为有效传动半径①式中R为已知量，若求得S值，则h值可知，为此采用如下设计原理求得被测液体的液位h值设置在安全区1-11中的电源1-10被接通后，两支红外发光管1-9发出两路光，经两路入射光纤1-7传输，由于终端两块光学透镜1-4的作用，将两束发散光转变为两支平行光均匀地照射在圆主光栅1-6的刻线面和圆副光栅1-5的裂相窗口上，当测量液位时，因为执行机构与液体的浮力一起构成一个平衡力矩系、由平衡力的作用，使得浮盘1-22产生相应的上、下运动，运动的传递使得弹性联轴节1-2转动、带动主轴1-3、圆主光栅与之同步转动，因为圆副光栅是固定不动的，这样圆主光栅相对圆副光栅就产生相对转动，由光栅的测量原理可知每转过一个角栅柜，便产生一个明、暗相间的莫尔条纹光信号，因为圆副光栅上的裂相窗口相位相差90°，所以便产生两路相位相差90°的莫尔条纹光信号，再经始端带有光学透镜1-13的两组出射光纤1-14，被会聚传输到远设在安全区的两支光电接收器1-15的靶面上，被转换成二路相位相差90°的电信号，此时的电信号比较微弱，经电路1-16放大后，形成两路可用的Sinθ、Cosθ电信号，由圆光栅的测量原理得，S＝κ×ω……(2)式中S为圆光栅的角位移量；κ为莫尔条纹个数，即电脉冲个数；ω为光栅角栅距，为已知量。将(2)式代入(1)式得h＝2πR×κω/360°……(3)(3)式中2πR×κω/360°为已知量，设为m，则(3)式简化为h＝m×κ……(4)由(4)式可见若求得κ值，则液位量h值可求出，为此，采用两路整形电路1-17，将电信号Sinθ和Cosθ变为两路相位相差90°的方波脉冲，以满足计数获取κ值的需要，为了提高测量的分辨率，即为获得更精确的h值，采用四倍频电路1-18对两路方波进行倍频后，送入数据处理与显示电路1-19，最终被测的液位量h值的大小，便以数字的形式自动而精确地被显示出来。
本发明的实施例，详见图2，图3，本测量仪的主体结构与执行机构的联接是通过弹性联轴节1-2来实现的或不用联轴节，其一端连接着传动轮1-1，传动轮通过保持架1-11a，被刚性地固定在被测液体的容器罐1-12的顶部，钢丝缆1-21的两端被刚性地固定在浮盘1-22的上、下两端面中心上，呈O形套在传动轮和滑轮1-23的导向槽中，滑轮通过滑轮架1-24被刚性地固定成一体，它们紧固在容器罐的底部；弹性联轴节的另一端与主体结构中的主轴1-2、键2-1连接，主轴的两端设有两个轴承2-14，之间由隔离套2-15和卡圈2-13限位，两个轴承外环以静配合的形式安装在基体2-5上，基体通过三个螺钉2-8被紧固在装于罐顶的架上，前盖板2-3和后盖板2-23分别由四个螺钉2-4、2-12被紧固在基体和光纤座A2-10上，光纤座B2-21通过四个螺钉2-20被紧固在后盖板上，两组入射光纤1-7和两组出射光纤1-14其一端的固定，分别由两个固定套2-11和两个后固定套2-6，及光纤座2-21来实现的；另一端分别被固定于设在安全区1-11的电器箱1-12a的插口内，光学透镜1-14和1-13分别被安装在靠近圆主光栅1-6和圆副光栅1-5两侧的入射光纤和出射光纤上，圆副光栅的内孔穿入主轴，被粘接在基体上，圆主栅光栅的内孔穿入主轴放置在轴肩上，通过压紧环2-22被压紧固定，两块圆光栅是通过毛坯加工、毛坯理、化处理、真空溅射蒸镀金属膜、涂制紫外感光膜、光刻、制板、显影、坚膜、腐蚀、去膜工艺制成的，为了满足测量时判向的需要，圆副光栅的光刻图案采用裂相刻划，每个窗口相位相差90°，圆主光栅的刻线数和刻划精度的选取，由测量仪整机要求的分辩率和总精度来确定。设在安全区的电器箱内，两路电源V+经稳流电路提供给两路光源，即红外发光管一恒定电流，从而保证了光源发射一束稳定的近红外光线，光线分别经过两路光路光学系统调制后，照射到两路光电接收器，即光电二极管的靶面上，光电二极管将经光学系统调制的两路光信号，分别转换成两路电信号送入两路前置放大器A1(OP07)进行预放大，由于经A1放大后的电信号仍然很微弱，因此再分别送入两路主放大电路A2，进行进一步放大，经过A2(AD524)放大后输出两路相位相差90°的电信号Sinθ和Cosθ，再送入两路整形电路A3(TL072)进行整形后，送入四倍频电路A4，经倍频后输出两路相位相差90°的方波电信号，再送入数据处理和显示电路单片机A5(8032)进行处理后显示并输出控制信号，A5具有对系统测量误差修正的功能，具有自检和故障报警功能。电器箱带有微机和微型打印机插口，A6为整个电学系统的供电电源，由供电电网和不间断电源组成，A1、A2、A3、A4、A5电路，在国内都有专门的商店，厂家销售。
权利要求
1.圆光栅光导防爆液位测量仪，具有供电电源(A6)，两支红外发光管(1-9)，终端带有光学透镜(1-4)的两路入射光纤(1-7)，两组始端带有光学透镜(1-13)的出射光纤(1-14)，两支光电接收器(1-15)，其特征在于，采用圆光栅付作测量基准器，用光纤传递莫尔条纹光信号，固定在浮盘(1-22)上的钢丝缆(1-21)与支承在保持架(1-11a)上的传动轮(1-1)的导向槽中固定，与传动轮固定的主轴(1-3)上还固定有圆主光栅(1-6)，主轴(1-3)在圆副光栅(1-5)中心孔中自由转动，圆副光栅(1-5)和圆主光栅(1-6)顺光路方向依次设置在入射光纤和出射光纤的光学透镜(1-4)，(1-13)之间，两支光电接收器(1-15)输出的电信号分别输入两放大电路(1-16)，两整形电路(1-17)，四信频电路(1-18)，数据处理和显示电路(1-19)。
2.根据权利要求1所述的圆光栅光导防爆液位测量仪，其特征在于，供电电源(A6)，两支红外发光管(1-9)，两支光电接收器(1-15)，两路放大电路(1-16)，两路整形电路(1-17)，四倍频电路(1-18)，数据处理和显示电路(1-19)，都设置在位于安全区的一个电器箱(1-12a)中，入射光纤(1-7)，出射光纤(1-14)分别与红外发光管(1-9)和光电接收器耦合。
全文摘要
圆光栅光导防爆液位测量仪,特点是固定在浮盘1—22上的钢丝缆1—21与支承在保持架1—11a上的传动轮1—1的导向槽中固定,与传动轮固定的主轴1—3上还固定有圆主光栅1—6,主轴在圆副光栅1—5中心孔中自由转动,圆副光栅、圆主光栅顺光路方向依次设置在入射光纤和出射光纤的光学透镜1—4,1—13之间。优点是量程大,测量精度高可远距离测量液位,工作区内不含有电子元器件,整个电学系统设置在位于安全区的一个电器箱内,可用于防爆场合。
文档编号G01F23/22GK1174985SQ97112000
公开日1998年3月4日 申请日期1997年7月11日 优先权日1997年7月11日
发明者史淑华, 李维生, 徐重廉, 罗来根, 许兴智, 杨歧, 朱雷 申请人:北京超精细工程研究所