专利名称：一种本质防爆型液面高度检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种浮力牵拉装置、本质防爆型液面高度检测装置及方法， 尤其涉及利用浮力拉伸光纤光栅对液体容器液面高度检测的一种浮力牵拉 装置、本质防爆型液面高度检测装置及方法。
背景技术：
1989年POREY首次报道将光纤光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG) 用作传感器件。光纤光栅是一种光纤无源器件，实际上就是一段光纤，其 纤芯中具有折射率周期性变化的结构，或称作光纤芯内的布拉格反射器。 它利用光纤材料的紫外光敏性，通过双光束干涉法和相位掩模法等方法， 从侧面将裸纤暴露在紫外光束的干涉图案下，将干涉图案写入到光纤内， 在纤芯内部形成空间相位光栅。当具有一定频谱宽度的光信号经过光纤光 栅后，特定波长的光波沿原路反射回来，其余波长的光信号则直接透射出 去。根据模耦合理论，XB二2nA的波长就被光纤光栅所反射回去(其中XB 为光纤光栅的中心波长，八为光栅周期，n为纤芯的有效折射率)。反射的 中心波长信号XB，跟光栅周期A，纤芯的有效折射率n有关，所以当外界 的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。 也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情 况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为
其中，~ X5F为光纤的热膨胀系数，《^巧为光纤材料的热光系数， 4"A为光纤材料的弹光系数。在1550nm窗口，中心波长的温度系数约为10.3pm/oC,应变系数为1.209pm/n e。如果将FBG封装在温度增敏材 料中，可以提高它的温度系数灵敏度，进而得到更大的测量精度。
改变光栅的有效折射率或周期就能改变光栅反射的中心波长，利用这 一特性可以将光纤光栅用于许多物理量的传感测量，其中拉力(压力)是 光纤光栅能够直接敏感的物理量之一。拉力引起光栅中心波长的漂移主要 是因为拉力改变了光栅栅距造成的。光栅中心波长的变化就反映了所受拉 力的变化情况，从而达到测量的目的。由于光纤光栅中心波长随拉力的变 化关系是线性的，所以可以非常方便地应用在传感领域。传感光纤光栅除 了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、不带电量、不产生热量、 防燃、防爆、重量轻、体积小、能在有害或危险环境中安全运行等优点外， 还有其独特的优点光纤易于耦合，耦合损耗小；抗干扰能力强，集传感 与传输于一体且具有更强的复用能力，易于构成传感网络；测量对象广泛， 易于实现多参数传感测量等等。
目前，对大容器内液位计量的手段主要是采用雷达探测，即在液体的 上部，安置雷达装置，雷达发射的无线电在接触液体表面时发生反射，反 射回的信号再被雷达装置接收，计算无线电发射和接收的时间间隔，从而 确定液体表面和雷达装置之间的距离，实现液位的测量。但是，此种液位 测量方法， 一方面要引入电压和电信号，通常在易燃、易爆等场合被限制 使用，例如，在石油存储(石油罐)行业，液位的测量目前仍然是采用人 工的方法，每天由计量人员爬到石油罐顶部，通过尺子量取液位高度。另 一方面，由于雷达波束的速度很快，而液面的距离相对较小，因此此方式 也难以实现精确测量，通常液位的测量精度只能到10cm级别。
发明内容
为克服现有技术对大容器内液面高度检测的诸多缺陷，本发明所要解 决的技术问题是提供一种通过光纤光栅检测浮力来实现高精度测量容器内 液面高度的浮力牵拉装置、本质防爆型液面高度检测装置及其方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
一种浮力牵拉装置，其特征在于，包括浸于待测液体的浮筒、光纤光栅，以及固定设置在容器内的固定端，所述光纤光栅一端与所述固定端 固定，所述光纤光栅另一端与所述浮筒固定，所述浮筒在重力和浮力的合 力作用下拉伸所述光纤光栅。通过此技术方案，液面的高度将影响浮筒的 受力状况，浮筒的受力状况将改变光纤光栅的状况。这样为实现通过光纤 光栅测量液面高度提供了可能。
本发明还提供了一种本质防爆型液面高度检测装置，用于测量容器内 待测液体的液面高度，包括波长分析仪和设置在容器内的光纤光栅浮力 牵拉装置；所述光纤光栅浮力牵拉装置包括浸于待测液体的浮筒、光纤 光栅，以及固定设置在容器内的固定端，所述光纤光栅一端与所述固定端 固定，所述光纤光栅另一端与所述浮筒固定，所述浮筒在重力和浮力的合 力作用下拉伸所述光纤光栅；所述波长分析仪通过所述光缆向所述光纤光 栅发出一定频率范围的光波，并接收由光纤光栅所反射回来的光波，然后 对该反射光波进行分析处理，计算出待测液体的液面高度。
上述合力包括但是不限于浮筒的重力和浮力，例如，浮筒也可辅佐弹 簧牵引平衡自身重量，合力还包括弹簧的弹力，但是既然合力中包含了浮 力和重力，则仍应视为在上述技术方案的保护范围以内。
所述波长分析仪所发出的光波为窄带扫描光，波长范围为1525nm到 1565nm，也可以是在所述光缆的光纤中传输的其他任何波长范围。
所述波长分析仪通过耦合器和所述光缆分别与至少两个设置在不同容 器内的光纤光栅浮力牵拉装置连接。
其中，所述光纤光栅波长分析仪是基于宽带USE)光源，经过可调谐 光纤Fabry—Perrot滤波器(FFP)后，成为窄带扫描光，光波通过耦合器 从不同通道输出，通过光缆传输到光纤光栅上。光纤光栅受到的拉力不同， 光纤光栅所反射的中心波长就不同，光栅所反射的波长通过原路返回到波 长分析仪，由光电管(PD)探测出一系列光功率信号，通过处理和与标准 波长的比较，解调出不同光栅传感器的中心波长，然后通过处理和计算， 从而实现相关液位等物理量测量。可以用理论计算的方法确定单位高度的 浮力F大小，也可以用类似实验方法确定波长值Y与液面高度X之间的线性关系，即可在实际使用时利用光纤光栅所反射的波长，通过计算得到较
为精确的液面高度。如图5所示，即为一个液面高度X和反射的波长Y之 间一个线性关系的实验值。通常可以用类似实验方法确定波长值Y与液面 高度X之间的线性关系，即可在实际使用时利用光纤光栅所反射的波长， 通过线性计算得到较为精确的液面高度。
通常， 一种波长分析仪能够拥有8路到16路收发扫描光的通道，每个 通道可接18套光纤光栅装置，即连接18套光纤光栅浮力牵拉装置，可以 实现多点的测量。
本发明的本质防爆型液面高度检测装置一种更具体的实施例为所述 光纤光栅外部套有内管，在所述内管外部套有外管，所述内管和外管固定 于所述固定端；所述光纤光栅另一端穿过并固定于第一毛细管，所述第一 毛细管通过顶丝固定于与所述浮筒连接的外连接杆内，所述光纤光栅一端 穿过并固定于第二毛细管，所述第二毛细管通过顶丝固定于所述内管内。
为了防止浮筒牵引光纤光栅做水平位移，影响测量精度，所述光纤光 栅浮力牵拉装置还包括用于限制所述浮筒水平位移的浮筒限位装置。
所述浮筒限位装置包括固定于所述容器内的支撑管，所述支撑管外
套于所述浮筒，在所述支撑管的内壁设置有多个弹簧滚珠，所述弹簧滚珠 轻压于所述浮筒的外壁。
为了防止浮筒牵引光纤光栅做轴向转动，影响测量精度，所述光纤光
栅浮力牵拉装置还包括用于限制所述浮筒带动所述光纤光栅轴向转动的 止转装置。
所述止转装置包括相互接触的定位环和止转环，所述定位环固定于 所述外管内部，所述止转环固定套于所述第一毛细管上，所述止转环与所 述内管的接触面为相互咬合的凸凹结构。
为了防止浮筒过度拉长光纤光栅对其造成损害，所述光纤光栅浮力牵 拉装置还包括用于限制所述浮筒在一定范围内拉长所述光纤光栅的位移 限制装置。所述位移限制装置包括定位环和止转环，所述定位环固定于 所述外管内部，所述止转环固定套于所述第一毛细管上，所述止转环与所 述定位环之间留一小缝隙，限制纤光栅浮力拉伸范围，确保测量过程中光纤光栅不被拉断。
所述浮筒具有不同的设置方式，为减少浮筒本身重力大于浮力所造成 的液位计量盲区，所设计的浮筒可以采用轻质材料；也可以外挂浮体平衡
自身重量；也可以辅佐弹簧牵引平衡自身重量等。对于浮筒在上光纤光栅 在下的设置方式，当浮力大于其重力的时候，所述浮筒拉伸所述光纤光栅， 测量所述光纤光栅波长，从而可以对应浮力大小，也就可以计算出对应的 液位高低。
本发明还提供了一种液体容器液面高度检测的方法，包括如下步骤 浸于待测液体的浮筒在浮力和重力的合力作用下，拉伸光纤光栅； 波长分析仪通过所述光缆向所述光纤光栅发出一定频率范围的光波， 并接收由光纤光栅所反射回来的光波；
对该反射光波进行分析处理，并计算出待测液体的液面高度。 与现有技术相比本发明的优点在于，安全性好，不受强电场、强电磁 影响，能够广泛的应用于如石油化工等易燃易爆或强电场、强电磁环境； 同时，检测精度高，自动在线连续监测，通过温度补偿，可简便的消除环 境温度对液位测量精度的影响，减少人工检测的人为误差，能够实现毫米 级精确测量；而且，本发明便于实现联网对多处液面高度进行集中监控。
图1是本发明本质防爆型液面高度检测装置实施例的结构示意图； 图2是本发明光纤光栅浮力牵拉装置实施例中的具体结构示意图； 图3是本发明实施例中止转装置的结构示意图； 图4是本发明实施例中浮筒的结构示意图5为本发明实施例的一次关于光纤光栅反射的波长与液面高度实验
的图表。
具体实施例方式
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，为用于测量容器900内待测液体901的液面高度的本质 防爆型液面高度检测装置。该装置包括波长分析仪500和设置在容器900
内的光纤光栅浮力牵拉装置。其中，所述光纤光栅浮力牵拉装置包括浸
于待测液体901的浮筒100、光纤光栅200，以及固定设置在容器900内的 固定端400。所述光纤光栅200 —端与所述固定端400固定，另一端与所 述浮筒100固定，所述浮筒100在重力和浮力的合力作用下拉紧所述光纤 光栅200。所述波长分析仪500通过所述光缆501向所述光纤光栅200发 出一定频率范围的光波，并接收由光纤光栅200所反射回来的光波，然后 对该反射光波进行分析处理，计算出待测液体901的液面高度。
其中，所述光缆501与波长分析仪500的连接采用光通信行业标准接 头FC/APC进行对接，插入损耗和端头反射影响小。所述波长分析仪500 是基于宽带(ASE)光源，经过可调谐光纤Fabry—Perrot滤波器(FFP) 后，成为窄带扫描光，光波通过耦合器从不同通道输出，通过光缆501传 输到光纤光栅上。由于光栅受到的拉力不同，光纤光栅所反射的中心波长 就不同，光纤光栅所反射的波长通过原路返回到波长分析仪，由波长分析 仪500内部的光电管(PD)探测出一系列光功率信号，通过处理并与标准 波长的比较，解调出不同的中心波长。对于中心波长进行处理和计算，从 而实现相关液位等物理量测量。仪器有8个通道，每个通道可接18只光纤 光栅传感器，可以实现多传感器的测量。
此检测通路为全光纤结构，可以是单通道测量，也可以多通道测量， 每通道可以单点，也可以多点串联、并联测量，从而实现联网集中监控。
在实验室中，把本质防爆型液面高度检测装置安装于圆柱水槽内，并 把光纤光栅串接到Si720上。其中，Si720参数设置如下采样频率设为 0.5Hz，平均次数设为10次平均。然后，记录液面的液位及Si720的相应 参数，记录方式为，每加5cm水等待3-5分钟记录一个波长值，当水加到 130cm处，加水过程完成，接着每放5cm水也等待3-5分钟记录一个波长 值，直到放到O点为止；并把数据记录下来。如图5所示，波长值Y与液 面高度X之间具有很好的线性关系，重复多次这样的实验，都能获得相似 的实验结果。因此，只要获得光纤光栅所反射的波长，就能得到较为精确的液面高度。
以下为一个具体实施例的技术指标。波长分析仪500的波长范围为 1525nm到1565nm，测量通道为1，也可扩展至8通道；每通道测量点为1
至18;测量的温度范围-20至+130 。C;液位测量精度为l%0fS;远程
监测的距离为3-IO公里。
如图2所示，所述光纤光栅200外部套有内管210，在所述内管210 外部套有外管220，所述内管210和外管220固定于所述固定端400;所述 光纤光栅200另一端穿过并固定于第一毛细管311，所述第一毛细管311 通过顶丝391固定于与所述浮筒100连接的外连接杆321内，所述光纤光 栅200 —端穿过并固定于第二毛细管312，所述第二毛细管312通过顶丝 392固定于所述内管210内。
为了限制所述浮筒100在一定范围内拉长所述光纤光栅200，避免过 度拉伸对光纤光栅造成损害，所述光纤光栅浮力牵拉装置还包括位移限 制装置。图示的位移限制装置包括定位环261和止转环262，所述定位 环261固定于所述外管220内部，所述止转环262固定套于所述第一毛细 管311上，所述止转环262与所述定位环261之间留一小缝隙，限制纤光 栅浮力拉伸范围，确保测量过程中光纤光栅不被拉断。
另外，用于封闭所述外管220在所述浮筒100 —侧的连接套329和内 连接杆328。在所述连接套329的外侧还有与所述外连接杆321连接的外 管堵头229。
所述内连接杆328通过顶丝固定于所述第一毛细管311，所述第一毛 细管311穿过所述连接套329，但是所述内连接杆328被限制在所述连接 套329和定位环261之间的空间。
为了限制所述浮筒100带动所述光纤光栅200轴向转动，图示的光纤 光栅浮力牵拉装置包括所述内管210和止转环262，所述定位环261通 过顶丝269固定于所述外管220内部，所述止转环262固定套于所述第一 毛细管311上，所述止转环262与所述内管210的接触面具有相互咬合的 凸凹结构。如图3所示，所述止转环262与所述内管210的接触面具有相 互咬合的凹凸十字槽。如图4所示，为了限制所述浮筒100水平位移，光纤光栅浮力牵拉装 置包括固定于所述容器900内的支撑管110，所述支撑管110外套于所 述浮筒100，在所述支撑管110的内壁设置有多个弹簧滚珠102，所述弹簧 滚珠102轻压于所述浮筒100的外壁。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1、一种浮力牵拉装置，其特征在于，包括浸于待测液体(901)的浮筒(100)、光纤，以及固定设置在容器(900)内的固定端(400)，所述光纤一端与所述固定端(400)固定，所述光纤另一端与所述浮筒(100)固定，所述浮筒(100)在重力和浮力的合力作用下拉伸所述光纤。
2、 一种本质防爆型液面高度检测装置，用于测量容器(900)内待测 液体(901)的液面高度，其特征在于，包括波长分析仪(500)、光缆(501) 和设置在容器(900)内的光纤光栅浮力牵拉装置；所述光纤光栅浮力牵拉 装置包括浸于待测液体(901)的浮筒(100)、光纤光栅(200)，以及固 定设置在容器(900)内的固定端(400)，所述光纤光栅(200) —端与所 述固定端(400)固定，所述光纤光栅(200)另一端与所述浮筒(100)固 定，所述浮筒(100)在重力和浮力的合力作用下拉伸所述光纤光栅(200); 所述波长分析仪(500)通过所述光缆(501)向所述光纤光栅(200)发出 一定频率范围的光波，并接收由光纤光栅(200)所反射回来的光波，然后 对该反射光波进行分析处理，计算出待测液体(901)的液面高度。
3、 根据权利要求2所述的本质防爆型液面高度检测装置，其特征在 于，所述波长分析仪(500)所发出的光波的波长范围为1525nm到1565nm， 所述波长分析仪(500)所发出的光波传输距离为10km。
4、 根据权利要求2所述的本质防爆型液面高度检测装置，其特征在 于，所述波长分析仪(500)通过耦合器和所述光缆(501)，分别与至少两 个设置在同一个容器(900)或不同容器(900)内的光纤光栅浮力牵拉装 置连接。
5、 根据权利要求2所述的本质防爆型液面高度检测装置，其特征在 于，所述光纤光栅(200)外部套有内管(210)，在所述内管(210)外部 套有外管(220)，所述内管(210)和外管(220)固定于所述固定端(400); 所述光纤光栅(200)另一端穿过并固定于第一毛细管(311)，所述第一毛 细管(311)通过顶丝(391)固定于与所述浮筒(100)连接的外连接杆(321) 内，所述光纤光栅(200) —端穿过并固定于第二毛细管(312)，所述第二毛细管(312)通过顶丝(392)固定于所述内管(210)内。
6、 根据权利要求2、 3、 4或5所述的本质防爆型液面高度检测装置， 其特征在于，所述光纤光栅浮力牵拉装置还包括用于限制所述浮筒(100) 水平位移的浮筒限位装置。
7、 根据权利要求6所述的本质防爆型液面高度检测装置，其特征在 于，所述浮筒限位装置包括固定于所述容器(900)内的支撑管(110)， 所述支撑管(110)外套于所述浮筒(100)，在所述支撑管(110)的内壁 设置有多个弹簧滚珠(102)，所述弹簧滚珠(102)轻压于所述浮筒(100) 的外壁。
8、 根据权利要求2、 3、 4或5所述的本质防爆型液面高度检测装置， 其特征在于，所述光纤光栅浮力牵拉装置还包括用于限制所述浮筒(100)带动所述光纤光栅(200)轴向转动的止转装置；所述止转装置包括内管(210)和止转环(262)，所述止转环(262)固定套于所述第一毛细管(311) 上，所述止转环(262)与所述内管(210)的接触面具有相互咬合的凸凹 结构。
9、 根据权利要求2、 3、 4或5所述的本质防爆型液面高度检测装置， 其特征在于，所述光纤光栅浮力牵拉装置还包括用于限制所述浮筒(IOO) 在一定范围内拉长所述光纤光栅(200)的位移限制装置；所述位移限制装 置包括定位环(261)和止转环(262),所述定位环(261)固定于所述 外管(220)内部，所述止转环(262)固定套于所述第一毛细管(311)上， 所述止转环(262)与所述定位环(261)之间留有缝隙。
10、 一种液体容器液面高度检测的方法，其特征在于，包括如下步骤浸于待测液体(901)的浮筒(100)在浮力和重力的合力作用下，拉 伸光纤光栅(200);波长分析仪(500)通过所述光缆(501)向所述光纤光栅(200)发 出一定频率范围的光波，并接收由光纤光栅(200)所反射回来的光波；对该反射光波进行分析处理，并计算出待测液体(901)的液面高度。
全文摘要
本发明公开了一种本质防爆型液面高度检测装置及方法。本质防爆型液面高度检测装置包括波长分析仪、光缆和光纤光栅浮力牵拉装置；所述光纤光栅浮力牵拉装置包括浮筒、光纤光栅，以及固定端，所述波长分析仪通过光缆向所述光纤光栅发出一定频率范围的光波，并接收由光纤光栅所反射回来的光波，然后对该反射光波进行分析处理，计算出待测液体的液面高度。与现有技术相比本发明的优点在于，被测点可以没有任何电源，能够广泛的应用于如石油化工等易燃易爆或强电场、强电磁环境，并能长距离的检测；同时，检测精度高，能够实现毫米级精确测量；而且，本发明便于实现联网对多处液面高度进行集中监控。
文档编号G01F23/14GK101424562SQ200810217998
公开日2009年5月6日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者卫广远 申请人:深圳太辰光通信有限公司