毕业论文—— 一种基于激光干涉技术和自由态浮子测量液位的新方法

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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