CN105758495B - 一种气压传感液位计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种气压传感液位计，包括：测压空气管，测压空气管的上端连接引压管；测压模块，测压模块测量管内气体压强及管内气体压强与没入深度的对应关系；计算模块，该计算模块计算出被测液体的液位高度数值；第一标定模块和第二标定模块，第一标定模块用于标定气体压强，第二标定模块用于标定气体压强；与计算模块连接的用于显示数值的显示模块。本发明还公开了气压传感液位计的测量方法，包括系统参数设置、标定、计算模块建立及液位测量步骤。本发明能够大大降低对环境的敏感性，测量时受环境的影响小，提高测量精度。

Description

一种气压传感液位计及其测量方法

技术领域

本发明属于液体测量领域，涉及一种液位测量装置和其使用方法，特别是涉及一种气压传感液位计及其测量方法。

背景技术

现有的对容器内的液位高度的测量装置主要有压差式液位计，压差式液位计在使用时先测量容器底部的压强，利用压强和被测液体的比重反算出液位高度，相当于通过对容器底部的压力信号进行再处理再得到液位信号，甚至直接就是一台压力表现场指示，压差式液位计所使用的压力感知部分主要形式有以下几种：

a)膜片式：用一个充满液体的膜腔测压，使测压室和被测液体分开，测压测的是膜腔的压强，这就要求膜腔内的液体热膨胀系数很小，膜自身不能产生张力或张力可知，而且测压室必须和膜腔在同一高度，如果测压室高于或低于膜腔，充填液体会产生静压，造成测量偏差，因此这类传感器必须和测压室做成一体，其引出部分为信号电缆，在复杂的工作环境下，传感器的稳定性不高，影响测量的精度；

b)等压皮膜式：包括传感器和其上的引出线及与传感器相连接的通气管和法兰盘，传感器结构是一长方形腔体，有相互连接的传感器外壳、主夹板、副夹板，传感器两侧感压面通过主夹板、副夹板分别感受被测液面上方气压和液态介质内被测液位点处的压力，当被测介质的压力分别通入传感器高低压室的感压面时，两侧的感压面产生不相等的位移，其位移和压差成正比，通过传感器上引出线输出测量的压力信号，该方式对密封性能提出了很高的要求，受温度变化的影响也很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种气压传感液位计及其测量方法，该气压传感液位计及其测量方法能够大大降低对环境的敏感性，测量时受环境的影响小，提高测量精度。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的。本发明是一种气压传感液位计，其特点在于，包括：

用于竖直地插入容器内的被测液体中的测压空气管，所述的测压空气管的上端连接引压管；

与所述的引压管的上端连接的测压模块，当测压空气管下端插入被测液体内时，所述的测压模块测量所述的测压空气管的管内气体压强及管内气体压强与该测压空气管在被测液体中的没入深度的对应关系；

信号输入端与所述的测压模块的信号输出端连接的计算模块，该计算模块根据测压模块采集到的管内气体压强数据及测压空气管的特性参数计算出被测液体的液位高度数值；

信号输出端与所述的计算模块的信号输入端连接的第一标定模块和第二标定模块，所述的第一标定模块用于标定测压空气管处于已知高液位点时的没入深度及所对应的测压空气管内的气体压强，所述的第二标定模块用于标定测压空气管处于已知低液位点时的没入深度及所对应的测压空气管内的气体压强；

与所述的计算模块连接的用于显示数值的显示模块。

本发明一种气压传感液位计技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：所述的测压空气管外面套设有套管，所述的套管的下端靠近所述的测压空气管的下端，所述的套管的上端伸出被测液体的液面。

本发明一种气压传感液位计技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：所述的测压空气管的底部设有气囊，所述的气囊的气口与所述的测压空气管的下端口连接。

本发明一种气压传感液位计技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：所述的容器的底部侧面外接有与容器组成连通器的封闭容器，所述的气囊设在所述的封闭容器内。

本发明还公开了一种上述的气压传感液位计的测量方法，其特点在于，包括如下的步骤：

(a)设置气压传感液位计的系统参数：将测压空气管的截面积S和测压空气管容积V₀的数值输入数据存储模块内存储；

(b)标定步骤：将所述的测压空气管的下端先后对准已知的没入深度分别为H₁和H₂的高液位点和低液位点，然后通过测压模块测量测压空气管处于该两个位置时所对应的管内气体压强P₁和P₂，然后通过第一标定模块和第二标定模块将H1、P₁和H₂、P₂的数值输入数据存储模块内存储；

(c)通过计算模块建立液位求取方程：根据理想气体的状态方程：及测压空气管的参数特性，得到测压空气管内的空气压强和液位深度的方程式：

P₀.V₀＝P_i.V_i＝(P₀+pⁱ).V_i (1)

其中，P₀为标准大气压强，以mmH₂O计；

V₀为测压空气管原始容积，以mmH₂O计，

P_i为测压状态时测压空气管内的气压绝对压强变量，以mmH₂O计，

pⁱ为测压状态时测压空气管内的气压相对压强变量，以mmH₂O计，

V_i为测压状态时测压管内气体体积变量，以mm³计；

根据测压空气管的特性，有V_i＝V₀-ΔH.S＝V₀-(H_i-pⁱ).S (2)，

其中，ΔH为进入测压管内的水深变量，以mmH₂O计，

S为测压空气管的截面积，以mm²计，

H_i为测压空气管的没入深度变量，以mm计；

将(2)式带入(1)式，得P₀.V₀＝P_i.V_i＝(P₀+p_i).[V₀-(H_i-pⁱ).S)]，化简得关于测压空气管的没入深度变量H_i的方程式：

计算模块将步骤(b)中的高液位点和低液位点所对应的管内气体压强P₁和P₂的数值及没入深度H1和H₂的数值带入公式(3)，求得V₀和P₀的值V_c和P_c；

将V₀和p₀的代入(3)式，可得：

(d)液位测量步骤：将所述的测压空气管的底端接触所述的容器的底面，通过测压模块测量测压空气管内的管内气体压强p_i数值，再通过计算模块将p_i数值输入公式(4)计算出H_i值，该H_i值就是容器内被测液体的液位高度。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：本发明通过测压空气管、引压管、测压模块、计算模块、第一标定模块、第二标定模块和显示模块有机地组合在一起构成了一种气压传感液位计，由于采用了上述的结构，本发明装置的电子模块如测压模块和计算模块均与被测液体相隔离，作为液体浮力传感器的液位探测部件对环境和被测液体的性质不敏感，受环境的影响小，保证测量精度，而且还具有造价低廉，适应性强，维护方便等优点，特别适合污水、酸碱盐强氧化性等腐蚀性液体、高温液体、液体化学原料储罐等的液位检测。

附图说明

图1为本发明的实施例结构示意图；

图2为本发明的实施例2结构示意图；

图3为本发明的实施例4结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成其权力的限制。

实施例1，参照图1-3，一种气压传感液位计，包括：

用于竖直地插入容器1内的被测液体2中的测压空气管3，测压管的形状最好规则，液体进入的部分截面积不能变化，否则会产生测量偏差，所述的测压空气管的上端连接引压管31；

与所述的引压管31的上端连接的测压模块57，当测压空气管下端插入被测液体2内时，所述的测压模块57测量所述的测压空气管的管内气体压强及管内气体压强与该测压空气管在被测液体中的没入深度的对应关系，测压模块57采用型号为XGZP6847的气体压力变送器模块；

信号输入端与所述的测压模块的信号输出端连接的计算模块54，该计算模块54根据测压模块57采集到的管内气体压强数据及测压空气管的特性参数计算出被测液体的液位高度数值，计算模块54采用型号为CC2530芯片；

信号输出端与所述的计算模块54的信号输入端连接的第一标定模块51和第二标定模块52，所述的第一标定模块54用于标定测压空气管处于已知高液位点时的没入深度及所对应的测压空气管内的气体压强，所述的第二标定模块52用于标定测压空气管处于已知低液位点时的没入深度及所对应的测压空气管内的气体压强，计算模块54可以与无线传输模块56连接，计算模块54计算得出的结果通过无线传输到客户终端；

与所述的计算模块54连接的用于显示数值的显示模块5。显示模块可以用显示屏5。

该容器1可以为如腐蚀性液体、高温液体、液体化学原料储罐等。

实施例2，如图2所示，实施例1所述的一种气压传感液位计中，所述的测压空气管3外面套设有套管32，所述的套管32的下端靠近所述的测压空气管的下端，所述的套管的上端伸出被测液体2的液面。通过设置防护套，可以防止测压空气管3在液位变化过程中或水流冲击下发生倾覆、倾斜、漂移的情况，消除这些可能对测量结果产生不利影响的因素，提高测量精度。

实施例3，如图2所示，实施例1所述的一种气压传感液位计中，所述的测压空气管的底部设有气囊6，所述的气囊的气口与所述的测压空气管3的下端口连接。

实施例4，如图3所示，实施例1所述的一种气压传感液位计中，所述的容器1的底部侧面外接有与容器组成连通器的封闭容器7，所述的气囊6设在所述的封闭容器7内。

本发明还公开了上述实施例的气压传感液位计的测量方法，包括如下的步骤：

(a)设置气压传感液位计的系统参数：将测压空气管的截面积S和测压空气管容积V₀的数值输入数据存储模块内存储；

(b)标定步骤：先选定没入深度分别为H1和H₂的高液位点和低液位点，测量H1和H₂的数值，然后将所述的测压空气管的下端先后对准该高液位点和低液位点，然后通过测压模块测量测压空气管处于该两个位置时所对应的管内气体压强P₁和P₂，然后通过第一标定模块和第二标定模块将H1、P₁和H₂、P₂的数值输入数据存储模块内存储；

(c)通过计算模块建立液位求取方程：根据理想气体的状态方程：及测压空气管的参数特性，得到测压空气管内的空气压强和液位深度的方程式：

P₀.V₀＝P_i.V_i＝(P₀+pⁱ).V_i (1)

其中，P₀为标准大气压强，以mmH₂O计；

V₀为测压空气管原始容积，以mmH₂O计，

P_i为测压状态时测压空气管内的气压绝对压强变量，以mmH₂O计，

pⁱ为测压状态时测压空气管内的气压相对压强变量，以mmH₂O计，

V_i测压状态时测压管内气体体积变量，以mm³计；

根据测压空气管的特性，有V_i＝V₀-ΔH.S＝V₀-(H_i-pⁱ).S (2)，

其中，ΔH为进入测压管内的水深变量，以mmH₂O计，

S为测压空气管的截面积，以mm²计，

H_i为测压空气管的没入深度变量，以mm计；

将(2)式带入(1)式，得P₀.V₀＝P_i.V_i＝(P₀+p_i).[V₀-(H_i-p_i).S)]，化简得关于测压空气管的没入深度变量H_i的方程式：

计算模块将步骤(b)中的高液位点和低液位点所对应的管内气体压强P₁和P₂的数值及没入深度H1和H₂的数值带入公式(3)，求得V₀和P₀的值V_c和P_c；

将V₀和p₀的代入(3)式，可得：

(d)液位测量步骤：将所述的测压空气管的底端接触所述的容器的底面，通过测压模块测量测压空气管内的管内气体压强pⁱ数值，再通过计算模块将pⁱ数值输入公式(4)计算出H_i值，该H_i值就是容器内被测液体的液位高度。

标定步骤中可以选择任意液位进行标定，但是为了方便标定操作，规定标定液位H₁＝1000mmH₂O，H₂＝500mmH₂O，(当然也可以用其它的值。标定标准水深选取较大的值是可以扩大测量范围的，不过在标定操作上会遇到许多困难，一般地最小的测压元件为10kPa，选用h＝1000mm可以很好地满足通用条件)。

上述的实施例中液位探测棒的长度和直径可以根据实际需要选择，本发明的气压传感液位计还包括标定模块如标定按钮；输出模块：包括用于发送数字液位信号的无线传输模块56、液位开关量输出端55；供电模块53、保护外壳、安装固定件和标识：CCC、LOGO、型号及二维码。

液位计测量的是数值，液位开关提供的只是一个开关量信号，几乎所有情况下，液位计都能代替液位开关工作。但是用液位计代替液位开关是不经济的，它需要将数值转换为开关量。如果将智能型气压传感液位计直接加液位开关量输出端55，则可以增加许多场合的应用。一般地，液位开关有HH、H、M、L、LL五个，使用其它液位开关一般地只能有2个位H、L，如果需要更多位就需要安装更多的液位开关。多位输出的液位开关也有，但一般会较贵。如果将智能型气压传感液位计直接加液位开关量输出，一般来说是比较简单的，不增加多少造价。

Claims (4)

1.一种气压传感液位计，其特征在于，包括:

用于竖直地插入容器内的被测液体中的测压空气管,所述的测压空气管的上端连接引压管；

与所述的引压管的上端连接的测压模块,当测压空气管下端插入被测液体内时,所述的测压模块测量所述的测压空气管的管内气体压强及管内气体压强与该测压空气管在被测液体中的没入深度的对应关系;

信号输入端与所述的测压模块的信号输出端连接的计算模块,该计算模块根据测压模块采集到的管内气体压强数据及测压空气管的特性参数计算出被测液体的液位高度数值；

信号输出端与所述的计算模块的信号输入端连接的第一标定模块和第二标定模块,所述的第一标定模块用于标定测压空气管处于己知高液位点时的没入深度及所对应的测压空气管的管内气体压强,所述的第二标定模块用于标定测压空气管处于己知低液位点时的没入深度及所对应的测压空气管的管内气体压强;

与所述的计算模块连接的用于显示数值的显示模块；

采用气压传感液位计进行测量的方法包括如下的步骤：

(a)设置气压传感液位计的系统参数:将测压空气管的截面积S和测压空气管容积Vo的数值输入数据存储模块内存储;

(b)标定步骤:先选定没入深度分别为Ｈ1和Ｈ2的高液位点和低液位点,测量Ｈ1和Ｈ2的数值,然后将所述的测压空气管的下端先后对准该高液位点和低液位点,然后通过测压模块测量测压空气管处于该两个位置时所对应的管内气体压强Ｐ1和Ｐ2,然后通过第一标定模块和第二标定模块将Ｈ1、Ｐ1和Ｈ2、Ｐ2的数值输入数据存储模块内存储;

(c)通过计算模块建立液位求取方程:根据理想气体的状态方程:及测压空气管的参数特性,得到测压空气管内的空气压强和液位深度的方程式:

其中,Ｐ0为标准大气压强,以mmH₂o计;

V0为测压空气管原始容积, 以mmH₂o计,

Pi为测压状态时测压空气管内的气压绝对压强变量, 以mmH₂o计,

pi为测压状态时测压空气管内的气压相对压强变量, 以mmH₂o计,

Vi为测压状态时测压管内气体体积变量,以mm³计;

根据测压空气管的特性,有

其中,Δ H为进入测压管内的水深变量,以mmH₂o计,

S为测压空气管的截面积, 以mm²计,

Hi为测压空气管的没入深度变量,以mm计;

将(2)式带入(1)式,得

化简得关于测压空气管的没入深度变量Hi的方程式:

计算模块将步骤(b)中的高液位点和低液位点所对应的管内气体压强P1和P2的数值及没入深度H1和H2的数值带入公式(3),求得V0和P0的值Vc和Pc;

将V0和Ｐ0的代入(3)式,可得:

(d)液位测量步骤:将所述的测压空气管的底端接触所述的容器的底面,通过测压模块测量测压空气管内的管内气体压强pi数值,再通过计算模块将pi数值输入公式(4)计算出Hi值,该Hi值就是容器内被测液体的液位高度。

2.根据权利要求1所述的气压传感液位计,其特征在于:所述的测压空气管外面套设有套管,所述的套管的下端靠近所述的测压空气管的下端,所述的套管的上端伸出被测液体的液面。

3.根据权利要求1所述的气压传感液位计,其特征在于:所述的测压空气管的底部设有气囊,所述的气囊的气口与所述的测压空气管的下端口连接。

4.根据权利要求3所述的气压传感液位计,其特征在于:所述的容器的底部侧面外接有与容器组成连通器的封闭容器,所述的气囊设在所述的封闭容器内。