一种基于激光干涉技术和自由态浮子测量液位的新方法

一种基于激光干涉技术和自由态浮子测量液位的新方法摘要：文章首先介绍了目前应用较为广泛的几种液位计的工作原理和各自的优缺点，并提出了一种结合激光干涉仪和自由态浮子检测各种高精度液位计准确度的新方法，这种方法具有高精度、高稳定性、不易受测量介质影响等特性，最后通过实验论证，得出基于此方法进行液位计准确度检测具有非常高的实用性和准确度。关键词：液位计、激光干涉仪、自由态浮子1 序言随着工业自动控制系统的不断发展和进步，能够实时地对容器(罐体、釜、塔等)液位或界面进行测量和监控的需求已经变得越来越迫切。目前市面上对于容器液位进行测量的仪器众多，测量原理也不尽相同。总体而言，根据测量仪器是否具有与测量介质相接触的部件，可以将液位计分为接触式液位计和非接触式液位计。从液位计的发展历程来看，液位计正在逐渐向自动化、高精度、非接触式方向发展。人工检尺方式是较早出现的一种液位测量方法，但由于劳动强度大，复现性差、存在不安全因素等原因，这种方法并没有得到广泛的应用。随着机械技术的发展，出现了采用浮子和钢带相结合的方式来进行液位测量的钢带液位计，但由于钢带液位计机械部件多，很容易发生钢带卡死不动等情况，并且这种液位计安装复杂、维护量大、可靠性较低等缺点，目前应用较少。而随着伺服电机技术的飞速发展，采用伺服电机在浮子的驱动下进行液位测量的伺服液位计得到了越来越广泛的应用，在精度上一般可达到1mm左右，但其安装调试复杂，并且只能应用于轻质介质。磁致伸缩液位计具有和伺服液位计同等级的准确度，磁致伸缩液位计是以磁致伸缩线上的磁场和浮子内磁场产生的应力脉冲的传播时间来得到液位值的。这种测量方法的主要优点是能够区分油水分界面，但由于其安装过于复杂，维护要求也比较高，因而并不广为使用者所接受。上述几种类型的液位计均属于接触式的液位计，由于这类液位计具有与被测介质相接触的部件，故限制了这些液位计不能用于腐蚀性介质。随着近年来电磁波技术的发展，利用电磁波来对容器液位进行测量得到了快速的发展，由于这种类型的液位计没有与被测介质相接触的部件，所以使用维护费用低。并且随着发射波频率的增加，这种液位测量方式的精度也逐渐提高，目前可达到0.5mm左右。其中基于电磁波测距原理的雷达液位计因其具有一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长等特点，近年来得到了很好的推广和应用。2 液位计检测方法论述通过比较各种常见液位计的工作原理、性能特点，为了能够更好的检测和比较各种液位计的性能指标，国内许多计量方面的专家和学者都提出了较为可行的解决方案。文献提出了一种激光反射原理结合自动控制升降系统的液位计检测方法，此方法通过自动控制的升降系统来实现液位的模拟移动，而对于模拟环境下不能检测的液位计，文中采用了向容器内注入液体实现液面移动，取得了较好的效果。但此方法由于没有考虑到测量环境中影响到激光传播的各个影响因素，并且易受自动控制升降系统精度的影响。文献提出了一种利用精密光栅尺的高精度特性的液位测量系统，通过模拟刻线与液面下缘相切的液位瞄准方法来进行液位计的检测。但此方法易受光栅位移传感器的测量精度和固定光栅位移传感器安装情况的影响。文献提出了应用钢直尺和容器液位升降的方法进行液位计检测，由于此方法没有考虑到雷达液位计等产品易受被测介质介电常数等因素的影响，只采用了水介质进行液位升降模拟，并且易受到钢直尺精度的影响。2 我站测量方法的论述我站在建设液位计型式评价中心的同时，开发了一种基于激光干涉技术和自由态浮子相结合的方式进行液位测量的新方法，和上述的其他各种液位计检测装置相比较，本方法具有适应性广、模拟能力强，准确度高等优点，可以实时在线的对各种类型的液位计进行性能比较，得出比较可靠的试验数据，方便广大液位计应用客户做出正确的选择，并更好的推动我国在液位计领域中的研发和推广力度。图1 液位计检测装置实现示意图我站的液位计检测装置主要由立式储罐、双频激光干涉仪和安装反射棱镜的自由态浮子构成，如图1所示。其中立式储罐纵向分为三个组成部分，分别充装具有代表性的原油、汽油、水介质进行液位升降状态模拟实验。在液位升降的过程中，通过自由态浮子随液位进行上下浮动，由安装在罐顶的双频激光干涉仪与安装在自由态浮子内的反射棱镜完成最终液位的测量。激光干涉技术是激光在计量领域中最成功的应用之一，是工业中最具权威的长度测量技术。基于激光干涉技术的激光产品具有信号噪声小，抗环境干扰强等技术特点。我站在液位计检测系统中采用了抗环境干扰能力较强的双频激光干涉仪进行液位的测量。双频激光干涉仪是基于光波叠加原理，通过两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹的激光应用技术。在实际应用中，通过从激光光源发出的光束，经由分光镜分为两路即参考光束和测量光束，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来经分光镜形成一道干涉光束，如图2所示。在本方法中，采用全反射棱镜作为可动反射镜，通过全反射棱镜随液位的变化得到干涉光束，并计算与被测长度对应的多普勒频差得到干涉条纹数。根据干涉条纹的数量和公式1得出容器内液面与容器顶部间的空高数值，从而根据公式2计算出容器内液位的准确值。图2 双频激光干涉仪测量原理图L=N*/2 (1)其中N为干涉条纹数，为激光在测量时刻其中N为波长值。HL=H-HA (2)其中H为容器总高，HA为通过激光干涉技术测得的空高值，HL为容器内最终的液位值。为了保证激光源发出的激光经全反射棱镜产生干涉条纹，必须确保全反射棱镜在垂直方向上随液位进行浮动外，水平方向的浮动范围在一定区域内，我站通过采用将全反射棱镜固定在自由态浮子上进行实现。自由态浮子由内外两个浮子组成，如图3所示。其中全反射棱镜安装在内浮子上，为了确保装有全反射棱镜的内浮子既能在垂直方向上随液面进行升降，又能在水平方向上一定范围内进行浮动，从而保证产生干涉条纹，将内浮子通过支杆方式将内浮子联动在外浮子上，而外浮子的两端通过吊耳固定在立式金属罐内部的导轨进行实现。自由态浮子采用这种连接方式的目的主要有两个：一是确保内浮子与外浮子间保持一定的间距，减少容器内介质毛细作用对内浮子的影响。二是通过内外浮子的自由联动，从而保证内浮子随液面达到准自由态运动。图3 自由态浮子连接剖面示意图3 试验论证为了保证检测装置能够实现对容器内液位高精度测量，需要对测量过程中对影响本方法准确度的因素进行修正。由于容器内温度、气压和湿度对激光波长的影响，对于通过检测装置获得的液位值，需要对测得结果进行相应的修正。根据容器内介质的不同，实时地测量各个影响因素，并根据表1进行液位修正。表格1 温度、压力、相对湿度对激光波长的影响通过本方法测得的液位值，并按照表1 进行相应的修正，可以得出容器内最终的液位值，如公式3所示。HL=H-HA+HT+HP+HR (3)其中HT为温度修正高度，HP为气压修正高度，HR为相对湿度修正高度。测量过程中，通过在液位上升期和下降期分别选定几个测量点进行液位测量，同时对容器内温度、气压、相对湿度等影响因素进行修正，同时与待检液位计测量出来的液位高度进行比较分析，得出待检液位计的相关性能参数。具体检测过程：首先，将待检液位计安装在罐顶预留的法兰上(如图1 所示)。安装时，平面垂直。对于准确度试验，在容器全量程范围内均匀选取十个检测点。然后，调整待检液位计的零点。当检测装置中的激光干涉仪处于零点说明书的要求调整液位计的零位，从而保证二者能够基于相同的零位。检测时，采用检测装置与待检液位计进行比对的方式进行：调节容器内不同介质的液位，使液位从零位开始逐渐升高到先前选取的检测点，直至上限；然后，逐渐降低液位到选取的各个检测点，直至下限然后，逐渐降低液位到选取的各个检测点，直至下限。期间，待液位稳定后分别读取上下行程中各个检测点的检测装置的数值和待检液位计的显示值。最后，根据各个检测点所处的温度、气压及相对湿度信息对标准装置的测量值进行修正，并计算出各个待检液位计的示值误差等测量指标。图4 为检测装置的控制软件图。图4 液位计检测系统4 结 论本文提出的液位计检测系统具有高精度和高稳定性的特征，能够对容器内的液位变化进行实时的测量。同时能够对目前各种类型的液位计进行准确度评价，这样不仅有助于广大用户进行液位计选型，定时标定液位计，而且能够推动各个液位计生产厂家提高自己的技术水平，为高精度液位计在油品交接过程中的推广奠定坚实的理论基础。参考文 献1 张计测量方法的研究J. 计量学报, 2008,29(4A