CN104180872A - 一种无接触液面高度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无接触液面高度计，包括箱体、激光发射器、上孔、下孔和刻度传感器；所述激光发射器和刻度传感器均设在箱体外的顶端，激光发射器与重垂线形成夹角；所述激光发射器上设有连接电源的第一导线；所述上孔设在箱体的顶端，下孔设在箱体的底端。本发明无接触液面高度计：1)不污染被测液体；2)不会被被测液体污染；3)不会受到水体中澡类、水垢等遮挡；4)不会因液体腐蚀而使刻度模糊；5)不会因为温度变化而影响精度；6)不受被测液体其他物化性质的影响，适用于所有液体；7)测量精度可以更高；8)更易于实现自动测量。

Description

一种无接触液面高度计

技术领域

本发明涉及一种无接触液面高度计。

背景技术

液面高度检测，有着广泛的应用，如水文观测、实验室试剂量观测、开水器液面、锅炉液面、热水器液面、内燃机燃油或润滑油液面等。

目前使用的液面检测方法，主要有：①刻度尺直接测量；②通过浮球上下移动的位置来测量；③用连通器，将液面引出来测量；④利用液体的电性能，通过电阻或电容改变或接近传感器原理来测量等

以上这些测量方法的缺点有：

1)与液体接接的，容易被被测液体污染，有些会被腐蚀，有些因为液体本身有一定有颜色从而使刻度不清晰等；

2)利用被测液体电学特性测量的，由于不同的被测液体，电学特性不同，因而不同液体只能用特定的测量参数。而且若是使用电容特性测量的，温度等其他性质也会影响液体的介电常数，从而影响测量量准确度；

3)使用浮球的位置来测量的，由于浮球位置的影响，从而使测量范围受到限制；

4)长期测量水面的，可能因为水澡或水垢等沉积而使刻度模糊或使浮球质量发生变化。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种采用激光束照射液面，通过反光点位置判断液面高度的无接触液面高度计。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种无接触液面高度计，包括箱体、激光发射器、上孔、下孔和刻度传感器；所述激光发射器和刻度传感器均设在箱体外的顶端，激光发射器与竖直方向形成夹角，所述激光发射器上设有连接电源的第一导线；所述上孔设在箱体的顶端，下孔设在箱体的底端。

上述激光发射器与竖直方向的夹角a即为光线的入射角；无接触液面高度计使用时，连通电源的第一导线为激光发射器提供电源，下孔用于被测液体进入箱体，若液面变化较快或液体比较黏稠则下孔适当加大，上孔用于气体进出，以使箱体内的液面与箱体外的液面保持齐平，激光发射器与垂线的夹角固定后，则不改变。

上述激光发射器与重垂线形成的夹角在0-90°之间，优选为30-60°。

工作原理：本发明无接触液面高度计用与液面不垂直的激光发射器照射液面，液面反射激光束，激光发射器与重垂线的夹角为a，刻度传感器与最低液面距离为H，液面高度(待测液面与最底液面距离)为x，反射光位置与激光发射器固定点O的距离为y，刻度传感器上对应刻度读数为z，则由几何学可知：

$\mathrm{tga}=\frac{\frac{1}{2}y}{H-x}---\left(1\right)$

化简后得：y＝-2(tga)·x+2Htga    ⑵

由于激光发射器与垂线夹角为a，刻度水平(若不水平，则乘一相应系数值)，激光束与感光板的位置是固定的，只要激光束与被测液面的角度不发生变化，则⑵式的线性关系不变。

在入射激光束不变的情况下，对于不同液面高度，反射回来的激光束位置不同，反射光位置z与激光发射器固定点O的距离为y，根据公式[2]，y为液面高度x的线性函数，反射光点位置z所指刻度传感器上刻度读数与y数值对应，因而根据y值即可知液面高度。

激光器偏移角度a的取值范围为：设液面的最大高度为X'，最大刻度距O点距离为Y'，则根据图2，激光发射器的最大偏移角度A'为：

$A\text{'}=\mathrm{arctg}\frac{\frac{1}{2}Y\text{'}}{H-X\text{'}}---\left(3\right)$

若最小刻度距O点位置以Y″，则激光发射器的最小偏移角度A″为：

$A\text{'}\text{'}=\mathrm{arctg}\frac{\frac{1}{2}Y\text{'}\text{'}}{H}---\left(4\right)$

即激光器偏移角度a的范围为：

$\mathrm{arctg}\frac{\frac{1}{2}Y\text{'}\text{'}}{H}<a\&le;\mathrm{arctg}\frac{\frac{1}{2}Y\text{'}}{H-X\text{'}}---\left(5\right)$

公式(5)中，最大角度即为激光器偏移的最佳角度。

所述刻度传感器为感光板或刻度盘，能间接或直接读出液面高度。

所述感光板上设有连接信号处理显示仪器的第二导线，能将反射光在感光板上不同位置的信息转换成电信号，从而间接读数。

上述感光板为半导体材料制作的，能将不同位置的光信号转换成相应电信号，第二导线则将相应电信号传送给处理设备。

所述箱体顶端还设有挂链，能在液面没有波动的情况下(如热水器中，锅炉中等)，采用悬挂的方式测量液面高度。

上述采用悬挂的方式，利用重力作用，使其重直(制造时注意重心的把握)，在液面有振动的情况下，需带阻尼装置，以免摆动过大同影响测量。

所述箱体内壁设有粗糙弹性材料层，能吸收水波，避免被测液面受到外面液面的的影响。

所述箱体为长方体箱体结构，能进一步避免被测液面受到外面液面的的影响。

本发明未提及的技术均为现有技术。

本发明无接触液面高度计：

1)不污染被测液体；

2)不会被被测液体污染；

3)不会受到水体中澡类、水垢等遮挡；

4)不会因液体腐蚀而使刻度模糊；

5)若刻度传感器做好恒温工作(对精度要求较高的测量，加装恒温装置)，则不会因温度变化而影响精度；

6)不受被测液体其他物化性质的影响，适用于所有液体；

7)测量精度可以更高；

8)更易于实现自动测量。

附图说明

图1是本发明无接触液面高度计结构示意图；

图2是本发明无接触液面高度计刻度读数原理图；

图3是本发明无接触液面高度计使用状态图；

图4是本发明实施例2刻度不水平状态测量原理图；

图中，1为箱体，2为激光发射器，3为第一导线，4为上孔，5为下孔，6为刻度传感器，7为第二导线，8为挂链，9为被测容器，10为信号处理显示仪器，11为电源，C1为待测液面，C2为最底液面，C3为内液面,C4为外液面。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-图3所示的无接触液面高度计，包括长方体箱体1、激光发射器2、上孔4、下孔5和刻度传感器6；所述激光发射器2和刻度传感器6均设在箱体1外的顶端，激光发射器2与竖直方向的夹角a为所述激光发射器2上设有连接电源11的第一导线3；所述上孔4设在箱体1的顶端，下孔5设在箱体1的底端；刻度传感器6为刻度盘；箱体1内壁设有粗糙弹性材料层。

使用时，将无接触液面高度计放入盛有待测液体的被测容器9中，被测容器9中的待测液体通过下孔5进入箱体1内部，直至箱体1内液面C3与被测容器9中的外液面C4持平，此时，内液面C3即为待测液面C1；再用与液面不垂直的激光发射器2照射待测液面C1，待测液面C1反射激光束，激光发射器2与重垂线的夹角为a，刻度传感器6与最低液面距离为H，液面高度(待测液面C1与最底液面C2距离)为x，反射光位置与激光发射器2固定点O的距离为y，刻度传感器6上对应刻度读数为z，则由几何学可知：

$\mathrm{tga}=\frac{\frac{1}{2}y}{H-x}---\left(1\right)$

化简后得：y＝-2(tga)·x+2Htga    ⑵

由于激光发射器2与垂线夹角为a，刻度水平时，激光束与刻度盘的位置是固定的，只要激光束与待测液面C1的角度不发生变化，则⑵式的线性关系不变；由于刻度与液面高度线性关系，若装有液体的容器为竖壁为直线，则容量与刻度为线性关系。

在入射激光束不变的情况下，对于不同液面高度，反射回来的激光束位置不同，反射光位置z与激光发射器2固定点O的距离为y，根据公式[2]，y为液面高度x的线性函数，反射光点位置z所指刻度盘上刻度读数与y数值对应，因而根据y值即可知液面高度。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是，刻度传感器6为感光板，感光板上设有连接信号处理显示仪器10的第二导线7；箱体1顶端还设有挂链8。

使用时，，将无接触液面高度计悬挂于盛有待测液体的被测容器9中，被测容器9中的待测液体通过下孔5进入箱体1内部，直至箱体1内液面C3与被测容器9中的外液面C4持平，此时，内液面C3即为待测液面C1；在液面没有波动的情况下(如热水器中，锅炉中等)，利用重力作用，使无接触液面高度计重直(制造时注意重心的把握)，在液面有振动的情况下，需带阻尼装置，以免摆动过大同影响测量；然后用与液面不垂直的激光发射器2照射液面，液面反射激光束，激光发射器2与重垂线的夹角为刻度传感器6与最低液面距离为H，液面高度(待测液面C1与最底液面C2距离)为x，反射光位置与激光发射器2固定点O的距离为y，刻度传感器6上对应刻度读数为z，则由几何学可知：

$\mathrm{tga}=\frac{\frac{1}{2}y}{H-x}---\left(1\right)$

化简后得：y＝-2(tga)·x+2Htga    ⑵

由于激光发射器2与垂线夹角为a，刻度不水平时，则乘一相应系数值，如图4所示，设感光板与水平面倾斜一个角度θ，反射光线照射到过O点的水平线上的点到O点的距离为y(y＝-2(tga)·x+2Htga)，照射到感光板上的点距O点的距离为Z，由图中所示的角度关系及几何知识可知：

将上两式合并化简得：

即当感光板与水平面倾斜一个角度θ时，实际刻度Z与为无倾斜时的刻度y乘一系数，此系数为：

由于入射角a小于90°，可知，当θ＝0时，δ＝1，则Z＝y

由于刻度与液面高度线性关系，若装有液体的容器为竖壁为直线，则容量与刻度为线性关系，若上下壁不为直线形，则通过修正，使刻度与容体同样成线性。

在入射激光束不变的情况下，不同液面高度，反射回来的激光束位置不同，通过测量反射光点位置z，反射光位置z与激光发射器2固定点O的距离为y，感光板为半导体材料制作，将不同位置的光信号转换成相应电信号，第二导线7则将相应电信号传送给信号处理及显示装置，从而确定液面高度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无接触液面高度计，其特征在于：包括箱体(1)、激光发射器(2)、上孔(4)、下孔(5)和刻度传感器(6)；所述激光发射器(2)和刻度传感器(6)均设在箱体(1)外的顶端，激光发射器(2)与重垂线形成夹角；所述激光发射器(2)上设有连接电源(11)的第一导线(3)；所述上孔(4)设在箱体(1)的顶端，下孔(5)设在箱体(1)的底端。

2.如权利要求1所述的无接触液面高度计，其特征在于：所述刻度传感器(6)为感光板或刻度盘。

3.如权利要求2所述的无接触液面高度计，其特征在于：所述感光板上设有连接信号处理显示仪器(10)的第二导线(7)。

4.如权利要求1所述的无接触液面高度计，其特征在于：所述箱体(1)顶端还设有挂链(8)。

5.如权利要求1-4任意一项所述的无接触液面高度计，其特征在于：所述箱体(1)内壁设有粗糙弹性材料层。

6.如权利要求1-4任意一项所述的无接触液面高度计，其特征在于：所述箱体(1)为长方体箱体(1)结构。