CN104075773A - 电磁刻度液位计 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了电磁刻度液位计的关键技术。本专利产品的关键技术是：以霍尔开关阵列作为电信号刻度，采用悬浮于两种液体界面之间或液体表面的电磁环为读数指针，通过控制改变电磁场宽度，使得任意位置磁场宽度覆盖唯一的霍尔开关组合状态。检测霍尔开关阵列的状态值并进行组态编码，获得当前的指针位置，从而实现液位测量。本专利产品具备极高的稳定性和测量精度，在目前已经公开的技术中，没有一款液位测量产品符合大量程的交易计量级产品要求，本专利产品将填补这一空白。

Description

电磁刻度液位计

技术领域

本发明专利公开了一种交易计量级电测液位测量产品的关键技术。基于本专利技术的产品将广泛用于水文观测中的水位测量，大型原油罐和化学试剂罐的液位测量，由于它具备与刻度尺相当的稳定性和测量精度，是一款可替代刻度尺的交易级液位自动化测量产品。 

背景技术

目前液位测量有两种方式，1)人工刻度尺方式测量；2)电测仪器装置自动测量。但是，交易计量级测量时绝大多数采信人工刻度尺测量值，电测装置自动测量仅仅作为监控辅助测量应用。 

人类对江河湖泊及水库堰塘水位观测和记录已经有上千年的历史，一直都是采用标牌刻度尺的方法观测水位。在大型油罐和化学溶剂罐交易计量液位测量中，也仅认可人工刻度尺测量数据。 

当前电测液位设备和仪器大约分为两类，即测压类和测时差(相位差)类型(测量已知均速信号从参考点至液面往返时间差，或者测量已知周期信号从参考点至液面往返相位差)。它们各自的原理、优点和缺点分别如下： 

1)压力类水位测量仪器 

即以流体压强定律为主导思想研发的测量仪器： 

Y(液体对底部压强)=P(液体密度)*h(容器底部至液面的垂直高度) 

这类仪器的原理是采用测量液体压强计算出液位，理论上讲可以测量压强的仪器都可以用来测量液位，如硅晶体液位计、振弦式渗压／液位计、差动电阻式渗压／液位计等等。 

这类仪器安装在容器或者库区、河床底部，用电缆把电信号引出液面，配置专门的读数仪或者自动化数据采集单元采集数据。这类仪器的主要优点是结构简单，成本低。它的主要缺陷有测量精度低(误差最小为10厘米左右)，一般作为辅助监控使用，不满足计量级精度要求；仪器受温度和沉淀物影响比较大，需要经常性校准；测量的结果为相对高度，需要换算得出海拔高程；安装时间窗口小，只能在枯水季节或者排空库容后才能安装。 

2)测时测相类测量仪器 

顾名思义，测量声波、光波信号从参考点至液面反射回到参考点的往返时间差，通过时差和速度计算距离，从而计算液位；或者测量声波、光波信号从参考点至液面反射回到参考点时的相位差，利用波长(相位)与距离的对应关系计算液位。 

这类仪器安装在液面上方，采用栈桥或者悬杆方式安装，这类仪器有超声波液位计、磁致式液位计、激光液位计等等。这类液位计中，优缺点差异较大，下面分别说明。 

超声波液位计的主要优点是测量量程大，安装简单，安装时间不受季节和当前液位状态的限制。缺点是误差非常大，普遍在25厘米以上，偶尔可能产生1～2米的偶发奇异值。并且易受气温和空气湿度影响，不宜用于计量级测量，只能作为辅助监控使用。 

磁致式液位计主要优点是精度高，安装简单。缺点是量程小，杆式磁致液位计量程一般不超过3米，软管磁致液位计量程一般不超过10米，而且要求被测液面保持相对静止，易受机械振动的干扰，显然不适合在自然环境或有机械振动环境中使用。 

脉冲式激光液位计精度低，误差大，优缺点与超声波液位计相似。相位式激光液位计精度相对高于压力类液位测量仪器，量程大，但是大多数情况下要求在液面设置合作目标反射，以消除液体透射、折射率高和反射率低的影响，测量装置复杂。成本高，易受气候条件影响，需要经常校准。这些缺陷制约了激光液位在自然环境和化学液罐中使用。 

江河湖泊的水文观测看似简单，测量精度(10毫米)要求也并不高，但是直到今天，仍然是一个国家技术难题，工程技术界仍然未能找到一种被普遍接受的替代人工观测的自动化测量方案，本专利技术的发明，可能改变这一局面。 

发明内容

(1)电磁刻度液位计特性概述 

为了解决计量级液位自动观测的难题，发明人经过大量的理论研究和实验论证，创新发明了“电磁刻度液位计”。 

电磁刻度液位计从根本上解决了其他电测液位计的测量精度问题，最大绝对误差为1.25毫米，不论量程多大，不存在累计误差，并且终生不需要校准。电 磁刻度液位计除保持过去人工观测刻度尺的全部技术特性之外，还能直接读出液位高程，无需通过液面之上的刻度尺的数量计算液位高程。 

电磁刻度液位计可以在库区或者河床底部建立基座安装，也可以采用栈桥或者悬杆方式安装，安装时期不受液位影响。电磁刻度液位计每段长度为50厘米，配置专用连接接头，最大量程达到100米，彻底解决了磁致式液位计的量程限制。配置不锈钢密封防水套管，可以像普通搪瓷水尺一样分段阶梯式安装，各段之间采用电缆连接。 

(2)电磁刻度液位计的原理和结构 

霍尔开关和悬浮电磁环一起构成电磁开关信号系统，常用于液位限位开关装置，其中霍尔开关作为电信号刻度线使用，悬浮电磁环作为指针使用，从理论上讲，一组霍尔开关等间距排列，并且间距小于计量分辨率时，即可获得一个电信号刻度尺。但是，如果霍尔开关之间的间距小于指针磁场的有效宽度时，将出现同一个指针位置对应多个刻度状态(即刻度线不是唯一的)，因此，要求磁场宽度必须小于霍尔开关之间的间距。这时就会产生一个新的问题，当指针位于两个霍尔开关之中间时，整个霍尔开关阵列中无状态输出。本发明中控制改变电磁场宽度，使得任意位置磁场宽度覆盖唯一的霍尔开关组合状态。然后对其进行组态编码，获得唯一的位置编码值，实现了液位的电测和数字信号输出，从而发明了电磁刻度液位计。 

电磁刻度液位计由霍尔开关阵列、读数显示和通信模块、电磁环液位指针、密封保护套管等四部分组成。结构图如图1：电磁刻度液位计结构图所示。 

图1是电磁刻度式液位计结构图。 

图2是密封套管结构图。 

通信和显示模块保证了该设备同时具备自动化数据采集和人工现场读数两种功能。为了方便值班人员夜间读数，显示模块采用了发光二极管阵列显示，距离水尺400米可清晰地读出当前液位和浪高数据，有效降低了值班人员的工作强度。通信部分提供了标准RS-485接口，数据规约为Modbus，可与当前通用的所有PLC系统实现无缝接入。通信模块中还包含了移动通信网络接口，可实现手机短信报告液位和浪高数据。 

(3)电磁刻度液位计的效益 

1)电磁刻度液位计彻底改变了目前电测类液位计只能作为辅助监控设备的 局面，它保留并提升了过去刻度尺的全部特性。 

2)用于水文观测时，集水位和浪高观测于一体，大大降低了建设成本。 

3)电磁刻度液位计量程大，满量程范围内最大绝对误差小于1.25毫米，无累计误差，完全满足任何条件下水文观测的需求。 

4)具备三种读数方式：人工远距离直接读数、自动化采集数据、手机短信消息读数。 

5)系统功耗低，适用于电池供电和太阳能供电。 

6)运输及安装方便，可以在库区或者河床底部建立基座安装，也可以采用栈桥或者悬杆方式安装。 

7)配置两个不同浮力的电磁环，可同时测量大型原油罐的水位和油位，可用于原油交易计量。 

8)可用于土石大坝的水平位移和沉降自动化测量。 

9)该设备抗震动、抗浪涌能力强，结构牢固，性能稳定，使用寿命长。 

Claims (3)

1.本发明的目的是提供一种适用于自然环境和罐内使用的计量级液位测量仪器(系统)，本专利产品的关键技术是：以霍尔开关阵列作为电信号刻度，采用悬浮于两种液体界面之间或液体表面的电磁环为读数指针，通过控制改变电磁场宽度，使得任意位置磁场宽度覆盖唯一的霍尔开关组合状态。检测霍尔开关阵列的状态值并进行组态编码，获得当前的指针位置，从而实现液位测量。

2.基于专利1的特征是：建立霍尔开关物理位置与液体表面的对应关系，霍尔开关阵列感应液面位置，通过组态编码计算获得液位值。它不同于现有两类液位测量技术中的任何一种，现有两类分别是：1)即测压类，这类仪器的原理是通过测量液体压强计算出液位；2)测时差(相位差)类，测量声波、光波信号从参考点至液面往返时间差，通过时差和速度计算距离，从而计算液位；或者测量声波、光波信号从参考点至液面往返相位差，利用波长(相位)与距离的对应关系计算液位。

基于专利1的产品关键技术特征如下：

(1)测量原理上的特征

1)以霍尔开关阵列模拟和取代刻度尺的刻度线，实现图形线到电信号(逻辑刻度线)的变换；电磁环指针悬浮在液体表面或两种不同液体的交界面上，控制改变电磁场宽度，使得任意位置磁场宽度覆盖唯一的霍尔开关组合状态；

2)建立霍尔开关物理位置与液体表面位置的对应关系，组态编码器对霍尔开关状态组合进行编码，取代人工目测辨识，实现液位数字式测量(可称为：组态编码技术)；

3)电磁环指针与霍尔开关阵列之间既无电路连接也无机械连接，本测量方式为一种非接触式测量。

(2)仪器结构上的特征

1)本专利产品由霍尔开关阵列、电磁环指针、组合状态编码器、数据管理和通信单元及仪器外壳5个部分组成；

2)霍尔开关阵列中元件物理位置上等间距排列，两个霍尔开关之间的距离小于或者等于仪器的2倍分辨力；

3)电磁环指针的有效磁场宽度按照分辨率的整倍数变化；

4)单元电尺长度为1米或者4英尺，电尺个数等于电磁刻度液位计的目标量程。

3.保护范围

(1)基于上述思路的液位(水位)计量测量产品应在本发明保护范围之内。

(2)基于上述思路的水平位移和垂直位移测量产品应在本发明的保护范围之内。