CN117629345A - 一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液位测量技术领域，尤其涉及一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统及方法，包括：安装于待测罐体外壁目标液位测量点处的测量组件以及与测量组件连接的控制单元、数据处理单元和电源单元；测量组件包括应变测量单元和温度测量单元；应变测量单元包括单个全桥应变片；数据处理单元根据来自应变测量单元的应变测量值和来自温度测量单元的当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到液位高度值。本发明通过全桥应变片和温度传感器实现了非接触式液位测量，综合了考虑应变数据和温度对待测罐体的影响，能够准确可靠地测量液体的液位，可以广泛适用于各种非规则形状的液位测量容器和高温、高压、腐蚀性等恶劣环境。
Description
技术领域
本发明涉及液位测量技术领域，尤其涉及一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统及方法。
背景技术
在液位测量领域，传统的液位测量方法包括浮球式、测压式和电容式等，然而，这些传统方法通常需要与液体直接接触，因此容易受到液体腐蚀、污染或其它环境因素的影响，这对于一些特殊应用场景来说是一个挑战，例如，用于测量放射性液体液位的核工业，或者液体具有腐蚀性的工业应用，在这些特殊应用场景下，传统液位测量方法的可靠性和耐用性会受到限制。
现有技术存在多种问题和限制，首先，传统液位测量方法需要与液体直接接触，这容易受到腐蚀和污染的影响，从而导致测量不准确；其次，为了使传感器能够深入罐体内进行检测，需要在罐体内设置特定接口，这增加了安装的复杂性和成本；另外，还需要采取额外的密封措施来确保罐体的密封性和安全性；最后，传统液位测量方法需要经常维护和更换，这增加了运营成本和停机时间，因此，对于液位测量领域的应用而言，亟需一种新的方法来克服传统方法的问题和限制。
发明内容
本发明提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统及方法，解决的技术问题是，传统的液位测量方法不仅需要与液体直接接触，而且需要在罐体内设置特定的接口，降低了测量的准确性。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统及方法。
第一方面，本发明提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，所述非接触式液位测量系统包括：安装于待测罐体外壁目标液位测量点处的测量组件以及与所述测量组件连接的控制单元、数据处理单元和电源单元；所述测量组件包括应变测量单元和温度测量单元；所述应变测量单元包括单个全桥应变片；
所述控制单元，用于获取用户输入的目标液位测量点，或者根据测量液位范围和液位约束条件，确定全桥应变片的最优安装位置，并将最优安装位置作为目标液位测量点；
所述应变测量单元，用于通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；所述待测方向包括径向方向、周向方向或轴向方向；
所述温度测量单元，用于测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据所述当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量；
所述数据处理单元，用于接收所述应变测量值和所述当前温度变化量，并根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到液位高度值。
在进一步的实施方案中，液位约束条件包括所述全桥应变片的安装高度应位于最低测量液位之下；当所述待测方向为径向方向时，所述应变液位转换模型为径向应变液位转换模型，所述径向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hr表示基于径向应变液位转换模型测得的液位高度值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kr表示径向方向的电压-应变转换系数；Vor表示全桥应变片在径向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；ρ表示罐内液体密度；g表示重力加速度；pi表示内压；h0表示目标液位测量点与待测罐体底部的高度差。
在进一步的实施方案中，当所述待测方向为周向方向时，所述应变液位转换模型为周向应变液位转换模型，所述周向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hθ表示基于周向应变液位转换模型测得的液位高度值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kθ表示周向方向的电压-应变转换系数；Voθ表示全桥应变片在周向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；ρ表示罐内液体密度；g表示重力加速度；pi表示内压；h0表示目标液位测量点与待测罐体底部的高度差。
在进一步的实施方案中，当所述待测方向为轴向方向时，所述应变液位转换模型为轴向应变液位转换模型，所述轴向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hz表示基于轴向应变液位转换模型测得的液位高度值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kz表示轴向方向的电压-应变转换系数；Voz表示全桥应变片在轴向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；ρ表示罐内液体密度；g表示重力加速度；pi表示内压；h0表示目标液位测量点与待测罐体底部的高度差。
在进一步的实施方案中，所述待测罐体内部设置有密度标定点，所述控制单元用于在监测到所述待测罐体内承装的液体高度达到密度标定点时，生成密度检测信号，以使所述数据处理单元响应于密度检测信号，根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变密度转换模型得到液体密度测量值。
在进一步的实施方案中，当所述待测方向为径向方向时，所述应变密度转换模型为径向应变密度转换模型，所述径向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρr表示基于径向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kr表示径向方向的电压-应变转换系数；Vor表示全桥应变片在径向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；h表示密度标定点与目标液位测量点之间的高度差；g表示重力加速度；pi表示内压。
在进一步的实施方案中，当所述待测方向为周向方向时，所述应变密度转换模型为周向应变密度转换模型，所述周向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρθ表示基于周向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kθ表示周向方向的电压-应变转换系数；Voθ表示全桥应变片在周向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；h表示密度标定点与目标液位测量点之间的高度差；g表示重力加速度；pi表示内压。
在进一步的实施方案中，当所述待测方向为轴向方向时，所述应变密度转换模型为轴向应变密度转换模型，所述轴向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρz表示基于轴向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kz表示轴向方向的电压-应变转换系数；Voz表示全桥应变片在轴向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；h表示密度标定点与目标液位测量点之间的高度差；g表示重力加速度；pi表示内压。
在进一步的实施方案中，所述非接触式液位测量系统设置于保护罩组件内，所述保护罩组件包括保护罩基座、螺栓组件和保护罩主体，所述保护罩主体通过所述螺栓组件固定在所述保护罩基座上；
所述保护罩基座包括保护罩基座板和保护罩粘合剂层，所述保护罩基座板通过保护罩粘合剂层粘接在待测罐体的目标液位测量点上。
第二方面，本发明提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量方法，所述方法包括以下步骤：
获取用户输入的目标液位测量点，或者根据测量液位范围和液位约束条件，确定全桥应变片的最优安装位置，并将最优安装位置作为目标液位测量点；
通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；所述待测方向包括径向方向、周向方向或轴向方向；
测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据所述当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量；
根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到液位高度值。
本发明提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统及方法，所述系统包括安装于待测罐体外壁目标液位测量点处的测量组件以及与测量组件连接的控制单元、数据处理单元和电源单元，测量组件包括应变测量单元和温度测量单元，应变测量单元包括单个全桥应变片；应变测量单元通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；温度测量单元用于测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量；数据处理单元用于接收应变测量值和当前温度变化量，并根据应变测量值和当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到液位高度值。与现有技术相比，该非接触式液位测量系统采用单个全桥应变片和数据处理技术，突破了传统液位测量方法的局限性，不仅可以避免与液体直接接触，减少了腐蚀和污染的风险，而且可以提供高精度的液位数据，实现生产过程液位测量的自动化和智能化，提高液位测量的可靠性，为不同场景的液位监管提供有效精准的数据支撑，具有结构简单、易于安装维护、成本低、适用性广泛等优点，可以在工业、化工、环保和能源等领域得到广泛的应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于全桥应变片的非接触式液位测量系统框图；
图2是本发明实施例提供的保护罩组件结构示意图；
图3是本发明实施例提供的测量组件内部布局示意图；
图4是本发明实施例提供的信号放大电路示意图；
图5是本发明实施例提供的径向应变液位检测输入输出曲线示例图；
图6是本发明实施例提供的周向应变液位检测输入输出曲线示例图；
图7是本发明实施例提供的轴向应变液位检测输入输出曲线示例图；
图8是本发明实施例提供的基于全桥应变片的非接触式液位测量方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
参考图1，本发明实施例提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，可应用于所有规则或者非规则的待测量液位的容器，如图1所示，该非接触式液位测量系统包括安装于待测罐体1外壁目标液位测量点处的测量组件2以及与所述测量组件2连接的控制单元3、数据处理单元4、电源单元5和数据输出单元6；所述测量组件2包括应变测量单元21和温度测量单元22，所述应变测量单元21包括单个全桥应变片。
所述电源单元5用于为非接触式液位测量系统提供所需的电力，以支持应变测量单元和温度测量单元的运行，所述电源单元可以采用电池为系统供电或通过与外部电源连接为系统供电，以确保系统的持续运行，为了确保能源的有效使用，本实施例在电源单元中设置有电源管理电路，通过电源管理电路实现对不同设备的电压转换和保护功能。
所述数据输出单元6用于通过无线通信或有线接口连接到外部设备或云端服务器，以向用户或者外部终端输出显示液位高度值，方便用户可以随时访问液位数据进行监控和分析；
为了保障非接触式液位测量系统的安全和稳定性，如图2所示，本实施例在待测罐体1的外壁上设置有保护罩组件，所述非接触式液位测量系统设置在保护罩组件内部，以通过保护罩组件保护非接触式液位测量系统的安全性和稳定性，所述保护罩组件包括保护罩基座7、螺栓组件8和保护罩主体9，保护罩主体9通过螺栓组件8固定在保护罩基座7上，从而实现保护罩的可拆卸功能，便于内部应变测量单元与温度测量单元的更换与维护，同时如图3所示，保护罩基座7包括保护罩基座板701和保护罩粘合剂层702，保护罩基座板701通过专业的保护罩粘合剂层702粘接在待测罐体的目标液位测量点上，需要说明的是，目标液位测量点的选择是基于预先建立的数据库与实际罐体结构进行结构重构后应变分布的结果，这一结构重构的过程旨在液位测量过程中获得更为可靠与高信噪比的应变数据，以确保液位测量的准确性和稳定性；应变测量单元21包括全桥应变片211和应变片粘连剂层212，全桥应变片211通过专业的应变片粘连剂层212粘接在待测罐体的外壁面上，以实现对指定区域的应变量测量；温度测量单元22包括温度传感器221和温度器粘合剂层222，温度传感器601同样通过专业的温度器粘合剂层222粘接在待测罐体的适当位置，本实施例通过专业的粘合剂确保这些结构被稳固地固定在敏感元件的周围，从而能够有效地保护敏感元件不受外部冲击、振动或其他不利因素的影响，这种通过专业粘合剂的胶粘方式既确保了连接的牢固性，又避免了对罐体外壁面的结构应变分布造成不必要的干扰，从而影响液位的测量。
对于保护罩组件材料的选择，由于在低辐照环境下，碳纤维复合材料或不锈钢的材料具有良好的强度，因此本实施例优先选择碳纤维复合材料或不锈钢的材料；然而，在较高辐照环境下，本实施例可考虑使用辐射稳定性高的材料，例如钛合金，以维持保护罩的性能在极端条件下不受影响。
本实施例通过控制单元监控和控制整个非接触式液位测量系统的操作，以实现精准的非接触式液位测量，在确定全桥应变片布置位置过程中，所述控制单元可以直接获取用户输入的目标液位测量点，或者根据测量液位范围和预先设置的液位约束条件进行评估，确定全桥应变片的最优安装位置和全桥应变片类型，同时在最优安装位置的选择过程中，应记录全桥应变片与待测罐体底部的高度差，并根据应变值灵敏度最大的原则，选择合适的应变检测方向和转换公式，以确保测量的准确性和可靠性，其中，液位约束条件包括所述全桥应变片的安装高度应位于最低测量液位之下，同时在本实施例中，所述最优安装位置需要具有均匀的应力分布，而且应远离多部件连接或焊接区域，以减少外部因素对测量的干扰，通过选取最优安装位置的布置和方向，有助于获得精确且可靠的液位测量结果。
在一个实施例中，本实施例根据测量液位范围和液位约束条件，确定全桥应变片的最优安装位置，并将最优安装位置作为目标液位测量点，具体实现过程可以包括：
获取待测罐体的实际三维结构数据以及液体三维运动轨迹数据，本实施例可以通过在待测罐体或管道内部安装摄像头，采用图像识别和计算机视觉技术来对实际的罐体结构进行检测，并捕捉和分析液体的运动，得到液体三维运动轨迹数据；
根据待测罐体的实际三维结构数据，利用预先建立的数据库对待测罐体的三维结构进行建模和重构，得到待测罐体重构模型，并根据待测罐体重构模型构建模拟平面；本实施例将待测罐体的实际三维结构数据与预先建立的数据库中的参考罐体模板进行匹配，并对罐体的结构进行重构，其中，模拟平面为待测罐体内部沿液位方向上预设间隔的数据点集合，本实施例通过构建模拟平面，可以更好地模拟分析液位变化与罐体应变分布之间的影响；
根据液体三维运动轨迹数据和模拟平面上的数据点，通过流体动力学模型或弹性力学模型计算出液体在模拟平面上每个数据点的应变分布；
根据应变分布和液位约束条件，确定目标液体测量点的位置，本实施例可以利用统计学方法对所述应变分布进行特性分析，得到应变分布统计特征，比如平均值、方差、极值等，然后根据应变分布统计特征和液位约束条件，评估确定最优安装位置(目标液体测量点)，比如，为了获得更准确的液位测量结果，根据应变分布统计特性选择模拟平面上应变分布较为均匀的点作为最优安装位置(目标液体测量点)。
需要说明的是，为了减少数据中的噪声和提高准确性，本实施例可以对采集到的液体三维运动轨迹数据进行预处理操作，所述预处理操作包括去噪、数据平滑、特征提取等步骤。
在确定全桥应变片布置位置之后，所述控制单元响应于液位测量系统启动指令，对应变测量单元21和温度测量单元22进行初始化，以确保全桥应变片传感器和温度传感器准备好进行测量，然后为了确保计算过程中数据的准确性，本实施例还需要对应变测量单元和温度测量单元进行校准，并在必要时对系统进行故障检测和报警，在校准过程中，所述控制单元需要提供关键参数，关键参数包括罐体结构参数、全桥应变片与罐体底部的高度差、当前温度下罐体材料参数、内部与外部初始压力、液体的密度等数据，其中，待测罐体内部的液体密度可以通过该系统标定或者通过已知数据获取，同时在液位测量过程中，控制单元控制全桥应变片和温度传感器连续监测，并记录来自应变测量单元和温度测量单元的测量数据，将测量数据传输至数据处理单元以实时跟踪液体液位，最后通过数据输出单元将液位数据传输至外部设备，以供分析和记录，在本实施例中，所述控制单元还包括用户界面，允许用户设置参数和查看液位数据。
由于应变传感器可以根据应变变化产生微小电阻变化，从而用于计算液体液位，因此，所述应变测量单元用于通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值，所述待测方向包括径向方向、周向方向或轴向方向，所述全桥应变片采用由四个应变片构成的全桥电路，也可以直接采用全桥应变片产品实现，其中，所述全桥应变片的材料选择应基于罐体内存储液体的特性，以确保其对应变量测量的适用性，在非放射性液体的测量中，金属箔应变片通常具有高度的线性应变特性，适合用于精确的液位测量，然而，在高辐照环境中，半导体或陶瓷应变片可能更合适，因为它们表现出辐照稳定性和化学惰性，能够在极端条件下维持性能稳定；粘连剂层的材料选择应考虑其与应变片和罐体外壁面的材料兼容性、粘接稳定性，一般而言，选择专用于高精度测量应用的工程胶粘剂，以确保应变片牢固粘合在罐体上。
本实施例基于弹性理论和圆柱壳体理论来求解圆柱壳体在静水压力作用下的应变，由于回转体的三个方向的应变不是相互独立的，而是受到三个方向的应力的影响，泊松比则是反映应变之间相关性的重要参数，因此，圆柱壳体在静水压力作用下的应变可以表示为：
式中，εr、εθ和εz分别为径向应变、周向应变和轴向应变；σr、σθ和σz分别为径向应力、周向应力和轴向应力；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；λT表示与温度相关的罐体泊松比；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量。
基于回转壳体无力矩理论，应力可以通过联立求解圆柱壳体的微体静力平衡方程与区域平衡方程获得，其中，微体静力平衡方程为：
式中，表示经向应力，其为沿回转壳体母线的切线方向，对于圆柱壳体R1表示第一曲率半径，对于圆柱壳体R1＝∞；R2为第二曲率半径；p表示微元受到的压力；δ表示回转壳体厚度。
区域平衡方程为：
式中，rm表示旋转壳母线轨迹，在本实施例中，区域平衡方程表示作用在整个壳体沿轴向的分力，其值应与任意mm'截面上的内力的轴向分量V'相平衡，即V'＝σz2πrmδcosα,V＝V'。
厚壁圆筒轴向力平衡方程为：
σzπ(Ro 2-Ri 2)＝PiπRi 2-PoπRo 2
式中，Ro表示外半径；Ri表示内半径；Pi表示内压；Po表示外压。
本实施例结合上面三个方程，可以得到圆柱罐体壁上任意一点的应变为：
其中，r为微元距离旋转轴的位置，
对于装有液体的罐体，内部压力随深度呈线性变化，可以写成：
Pi＝p0+ρgh
其中，p0为液体上方气体压力；ρ为承装液体密度；h为液面距离罐体所选微元体高度，在本发明实施例中是指全桥应变片与液面之间的高度差。
最后，本实施例可以利用径向应变液位检测、周向应变液位检测和轴向应变液位检测三个方程分别计算罐体上微元体与液位之间的高度差，其中，利用径向应变液位检测方程计算罐体上微元体与液位之间的高度差的计算公式为：
利用周向应变液位检测方程计算罐体上微元体与液位之间的高度差的计算公式为：
利用轴向应变液位检测方程计算罐体上微元体与液位之间的高度差的计算公式为：
上述利用径向应变液位检测、周向应变液位检测和轴向应变液位检测三个方程分别计算罐体上微元体与液位之间高度差计算公式分别表示罐体上不同位置进行液位检测时，所采用的液位推导公式，这些公式涵盖了结构多方向应变、结构材料和形状参数等因素的影响，具体的选择由罐体的具体结构形式确定，其中，本实施例主要考虑内外径、检测点位置和壁厚等因素，在选择最适合的实际应变片的检测方向时，通常将其分为径向、周向和轴向，当全桥应变片传感器被安装在待测罐体的外壁面上，当罐体液位发生变化时，罐体的形状或弯曲程度也会相应变化，导致全桥应变片传感器的电阻发生微小变化，全桥应变片传感器在外壁面感知液体的静水压力作用产生的应变时，存在r＝Ro，在本实施例中，全桥应变片测量原理为：
式中，ε(r,θ,z)表示应变测量值；K表示电压-应变转换系数，其为常数，单位为V-1；V0表示全桥应变片在待测方向上的输出电压值，其值取值范围为0～10V；Av表示放大电路电压增益；kT表示与温度相关的应变片灵敏度系数；Vs表示全桥应变片在待测方向上的输入电压值；εi表示全桥应变片中不同位置应变片测量到的应变值，i∈[1，2，3，4]。
通过上述公式可知，本实施例采用全桥应变片在一定程度上减弱了温度对于应变测量的影响，然而由于温度变化在一定程度上还是会影响罐体的弹性模量、泊松比、热膨胀系数以及应变片的灵敏度系数，从而影响罐体液位的计算，若直接采用应变测量值计算液位，其误差较大，因此，本实施例考虑温度这一影响因素，通过温度传感器测量罐体的温度对实现液位精准测量至关重要，为了确保温度测量的准确性，温度测量单元采用高精度热敏电阻传感器来确保温度测量的准确性，并实现温度补偿功能，具体地，本实施例通过温度测量单元测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据所述当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量，将所述当前温度变化量发送至数据处理单元，其中，温度传感器的材料选择应基于其精度、响应时间以及对高温或辐射环境的适应能力，在典型场景下，高精度热敏电阻传感器或热敏电阻阵列是常见的选择，因为它们对温度的响应非常灵敏且稳定，然而，在辐照环境下，应考虑使用特殊材料，比如：辐照稳定性高的硅或碳化硅，以确保传感器的性能不受辐射损伤的影响。
在本实施例中，应变测量单元和温度测量单元的数据采集与处理依赖于以下电路连接，如图4所示，电路的核心部分包括放大电路和电压跟随器两个关键组件，这两个组件协同工作，以确保从传感器获取的信号能够被准确放大和传输至数据处理单元，其中，放大电路是由运算放大器A1和电阻R5、R6组成，运算放大器A1用于将应变测量单元的全桥电路输出信号放大，全桥电路包括电阻R1、R2、R3和R4，它们代表四片应变片，用于测量液体引起的罐体底面应变；电阻R5和R6用于控制放大倍数，通过适当选择这些电阻的值，能够实现所需的信号放大倍数，以适应不同罐体尺寸和液体液位的测量需求，放大电路的输出连接至电压跟随器的输入端；电压跟随器是由运算放大器A2组成，其主要作用是将放大电路的输出电压与输入电压同步变化，这确保了输出信号具有高输入阻抗和低输出阻抗的特性，从而有效缓冲、隔离和传输信号，电压跟随器的输出连接至数据处理单元，为后续的信号处理提供了稳定且可靠的源，本实施例最终的输出电压Vo与应变片单元的全桥电路采集到的信号以及放大电路的放大倍数有关，输出电压Vo可以通过以下方程计算：
其中，Vo表示输出电压，其取值范围为0～10V；R1至R6表示电阻的阻值；kT表示温度相关的应变片灵敏度系数；Vs表示输入电压；ε1至ε4表示应变测量单元的测到的应变值。
本实施例提供的非接触式液位测量系统采用全桥应变片、温度传感器等实现了待测罐体内液体的非接触液位相关参数的测量，所述数据处理单元接收来自应变测量单元的应变测量值和来自温度测量单元的当前温度变化量，并根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变液位转换模型将应变测量值和当前温度变化量转化为准确的液位测量结果，得到液位高度值，使得本实施例的液位测量算法不仅考虑了应变数据，而且考虑了温度对罐体材料性质的影响，从而提供高度准确的液位信息，确保了测量结果的可靠性和精确性；同时数据处理单元通过其内部的数据存储装置记录这些液位参数和液位高度值，实现基于罐体外壁面应变的液位检测，本实施例通过设置在径向、周向或者轴向不同方向的单个全桥应变片和温度传感器即可实现液位测量，其中，当所述待测方向为径向方向时，所述应变液位转换模型为径向应变液位转换模型，所述径向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hr表示基于径向应变液位转换模型测得的液位高度值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kr表示径向方向的电压-应变转换系数；Vor表示全桥应变片在径向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；ρ表示罐内液体密度；g表示重力加速度；pi表示内压；h0表示目标液位测量点与待测罐体底部的高度差。
当所述待测方向为周向方向时，所述应变液位转换模型为周向应变液位转换模型，所述周向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hθ表示基于周向应变液位转换模型测得的液位高度值；Kθ表示周向方向的电压-应变转换系数；Voθ表示全桥应变片在周向方向上的输出电压值。
当所述待测方向为轴向方向时，所述应变液位转换模型为轴向应变液位转换模型，所述轴向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hz表示基于轴向应变液位转换模型测得的液位高度值；Kz表示轴向方向的电压-应变转换系数；Voz表示全桥应变片在轴向方向上的输出电压值。
本实施例提供的非接触式液位测量系统采用单个全桥应变片和温度传感器等实现了基于罐体外壁面应变的储罐内液体液位非接触液位测量，同时本实施例提供的非接触式液位测量系统还具备有液体密度标定功能，该功能可用于测定承装液体的平均密度，具体而言，非接触式液位测量系统在所述待测罐体内部设置有一个密度标定点，该密度标定点对应于单位高度的液体，所述控制单元用于在监测到所述待测罐体内承装的液体高度达到密度标定点时，生成密度检测信号，以使所述数据处理单元响应于密度检测信号，根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变密度转换模型得到待测方向上的液体密度测量值，当所述待测方向为径向方向时，所述应变密度转换模型为径向应变密度转换模型，所述径向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρr表示基于径向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kr表示径向方向的电压-应变转换系数；Vor表示全桥应变片在径向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；h表示密度标定点与目标液位测量点之间的高度差；g表示重力加速度；pi表示内压。
当所述待测方向为周向方向时，所述应变密度转换模型为周向应变密度转换模型，所述周向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρθ表示基于周向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Kθ表示周向方向的电压-应变转换系数；Voθ表示全桥应变片在周向方向上的输出电压值。
当所述待测方向为轴向方向时，所述应变密度转换模型为轴向应变密度转换模型，所述轴向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρz表示基于轴向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Kz表示轴向方向的电压-应变转换系数；Voz表示全桥应变片在轴向方向上的输出电压值。
在另一个实施例中，所述应变测量单元111包括单个或者多个全桥应变片，当应变测量单元采用多个全桥应变片测量待测罐体的液位时，待测方向为全向方向，此时，本实施例同时布置径向、周向和轴向三个不同方向的全桥应变片，然后基于加权平均法对三个方向的应变测量值进行处理，通过全向应变液位转换模型计算出液位值，全向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，H表示全向液位高度值；w为各个方向的液位检测权重值，其权重值的选择旨在调整每种测量方法的相对影响，使其在最终的加权平均值中对被测液位产生均衡的贡献，本领域技术人员可以根据具体实施情况设置液位检测权重值，为了便于计算，本实施例提供了一种液位检测权重值计算方式：
式中，wr、wθ和wz分别表示径向、周向和轴向方向的位检测权重值；λ表示液位监测因子。
同时本实施例基于加权平均法对三个方向的应变测量值进行处理，通过全向应变密度转换模型计算出液位值，全向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρ表示全向液体密度测量值。
需要说明的是，相比于传统的非接触式位测量技术，本发明实施例基于全桥应变片传感器和温度传感器的联合作用实现非接触式液位测量，本实施例所涉及的液位计算原理与方法不受限于特定罐体形状，可以适用于各种回转体的液位测量，无论容器是圆柱形、球形、锥形或其他形状，都能根据本发明实施例中提出的液位测量原理与方法中获得优势，从而实现高精度和可靠的液位测量，比如，现有专利CN113916323A提供的液位监测系统实质上是一种相对法测量液位高度的方法，从理论研究和实际应用的双重角度审视，该现有专利在计算方法上存在适应性的限制，尤其在传感器布置和回转壳体类型上表现为局限性，首先，该现有专利要求至少在不同高度布置两组传感器，这增加了系统的复杂性和成本，尤其在有限空间内布置多组传感器可能会受到局限；其次，就涉及不同回转壳体类型的应用而言，该现有专利中的计算方法显得相对刚性，具体而言，该现有专利提供的液位监测系统实质上在其实现过程中需要要求两组传感器布置位置的法线方向必须一致，即测量到的是同种应变，这使其在非标准罐体形状或布置不规则的情况下的应用受到限制，只能适用于严格规则形状，这种布置和方向的限制显著降低了该现有专利在实际应用中的通用性，使其难以灵活适应各种工业场景，相较之下，本发明实施例通过仅需一组应变测量单元布置在罐体外壁一个位置，即可实现对任意截面回转壳体的液位测量，这种简便的布置方式显著减少了系统的复杂性和成本，同时提高了在有限空间内的适用性，而且，本发明实施例考虑了系统测得的应变方向，提供了多种检测方法，允许更灵活的传感器布置和更广泛的应用范围，因此，相较于传统液位测量技术，本发明实施例在传感器布置和适应不同回转壳体类型方面更具灵活性和通用性。
同时相较于传统的非接触式液位测量技术，本实施例提供的非接触式液位测量系统通过非接触式、无需在罐体设置接口和额外密封的方式，解决了传统方法存在的多个局限性，并提供了更加方便、可靠和经济的液位测量解决方案，具体来说，与超声波液位计相比，本发明实施例提供的非接触式液位测量系统不受气温、气压、蒸汽和泡沫等环境因素的影响，稳定性更为卓越，使其在复杂的工业环境中，特别是在高温、高压或易产生泡沫的情况下，提供更可靠的液位测量；同时与激光测距传感器液位计相比，本发明实施例提供的非接触式液位测量系统利用全桥应变片和温度变化实现对液位测量，其在透明度、泡沫、蒸汽和测量距离方面都表现更佳，这意味着在各种液体环境中，即使存在挥发性气体或测量距离限制，本实施例提供的非接触式液位测量系统也能实现更精确、可靠的液位测量；此外，与雷达液位计相比，本实施例不受罐体结构和液体表面状态的限制，具有更高的适应性，这使得在各种不同形状和材质的罐体中，以及液体表面可能处于不规则状态的情况下，本发明实施例都能提供准确的液位测量；与射线液位计相比，本实施例避免了辐射危害、成本高和安全性差等缺点，使其在应用中更为安全、经济且可行，因此，本发明实施例基于全桥应变片的非接触式液位测量技术优于传统的非接触式液位测量技术，在稳定性、适应性和精确性方面都表现出色。
为了验证本实施例提供的非接触式液位测量系统的检测结果，本实施例以内径Ri＝2.49m、外径Ro＝2.5m的不锈钢圆柱罐体承装密度ρ＝1000kg/m3的水为例进行液位检测验证，该不锈钢圆柱罐体的杨氏模量E＝210×109Pa(T＝25℃)，泊松比λ＝0.3(T＝25℃)，检测位置设置在待测罐体外壁面r＝Ro、距离罐底的高度差h＝1m的位置处，同时设置外部气压Po＝105Pa，内部气压pi＝105Pa，罐体温度T＝25℃，重力加速度g＝9.81m/s2。
图5展示了基于径向应变的液位检测的输入输出曲线，图6展示了基于周向应变的液位检测的输入输出曲线，图7展示了基于轴向应变的液位检测的输入输出曲线，需要注意的是，图5中所示的径向应变为负值，表明结构外壁面的径向方向受到了压缩，本实施例结合相关公式和结果，明显观察到周向应变在液位检测中表现出最高的灵敏度，因此，在实际液位检测中，如果采用单一方向应变检测，建议使用周向应变来评估液位，以获得更高的灵敏度，另一方面，多方向应变检测则可提供更为精确的数据。
本发明实施例提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，所述非接触式液位测量系统通过控制单元确定全桥应变片的目标液位测量点；通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；通过温度测量单元测量目标液位测量点处的当前罐体温度，计算得到当前温度变化量；通过数据处理单元对应变测量值和当前温度变化量进行计算得到液位高度值。与传统非接触式液位测量技术相比，本实施例提出的非接触式液位测量系统基于全桥应变片和温度传感器实现非接触式的液体液位准确测量，具有高精度的液位数据和广泛的适用性，确保了测量结果的可靠性和精确性，不仅可以在高温、高压、腐蚀性等任何恶劣环境下进行测量，为液体存储管理带来显著的改进和便利，而且可以广泛适用于各种规则和非规则的回转体液位测量，通用性更强。
在一个实施例中，如图8所示，本发明实施例提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量方法，所述方法包括以下步骤：
S1.获取用户输入的目标液位测量点，或者根据测量液位范围和液位约束条件，确定全桥应变片的最优安装位置，并将最优安装位置作为目标液位测量点；
S2.通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；所述待测方向包括径向方向、周向方向或轴向方向；
S3.测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据所述当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量；
S4.根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到液位高度值。
需要说明的是，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
关于一种基于全桥应变片的非接触式液位测量方法的具体限定可以参见上述对于一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统的限定，此处不再赘述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请所公开的实施例描述的各个模块和步骤，能够以硬件、软件或者两者结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本发明实施例提供了一种基于全桥应变片的非接触式液位测量方法，所述方法根据测量液位范围和液位约束条件确定全桥应变片的最优安装位置；通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量；根据应变测量值和当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到待测方向上的液位高度值。与传统液位测量技术相比，本申请采用的非接触式液位测量系统不仅考虑了应变数据，而且考虑了温度对罐体材料性质的影响，提供了高精准度的液位数据，能够准确地测量液体的液位，从而避免了与液体直接接触，减少了腐蚀和污染的风险，同时这种非接触式液位测量方法具有广泛的适用性，可以适用于规则、非标准罐体形状或布置不规则的储存容器，能够在工业、化工、环保和能源等领域得到广泛的应用。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于，非接触式液位测量系统包括：紧贴于待测罐体外壁目标液位测量点处的测量组件以及与所述测量组件连接的控制单元、数据处理单元和电源单元；所述测量组件包括应变测量单元和温度测量单元；所述应变测量单元包括单个全桥应变片；
所述控制单元，用于获取用户输入的目标液位测量点，或者根据测量液位范围和液位约束条件，确定全桥应变片的最优安装位置，并将最优安装位置作为目标液位测量点；
所述应变测量单元，用于通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；所述待测方向包括径向方向、周向方向或轴向方向；
所述温度测量单元，用于测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据所述当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量；
所述数据处理单元，用于接收所述应变测量值和所述当前温度变化量，并根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到液位高度值。
2.如权利要求1所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于，液位约束条件包括所述全桥应变片的安装高度应位于最低测量液位之下；当所述待测方向为径向方向时，所述应变液位转换模型为径向应变液位转换模型，所述径向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hr表示基于径向应变液位转换模型测得的液位高度值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kr表示径向方向的电压-应变转换系数；Vor表示全桥应变片在径向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；ρ表示罐内液体密度；g表示重力加速度；pi表示内压；h0表示目标液位测量点与待测罐体底部的高度差。
3.如权利要求1所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于，当所述待测方向为周向方向时，所述应变液位转换模型为周向应变液位转换模型，所述周向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hθ表示基于周向应变液位转换模型测得的液位高度值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kθ表示周向方向的电压-应变转换系数；Voθ表示全桥应变片在周向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；ρ表示罐内液体密度；g表示重力加速度；pi表示内压；h0表示目标液位测量点与待测罐体底部的高度差。
4.如权利要求1所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于，当所述待测方向为轴向方向时，所述应变液位转换模型为轴向应变液位转换模型，所述轴向应变液位转换模型的计算公式为：
式中，Hz表示基于轴向应变液位转换模型测得的液位高度值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kz表示轴向方向的电压-应变转换系数；Voz表示全桥应变片在轴向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；ρ表示罐内液体密度；g表示重力加速度；pi表示内压；h0表示目标液位测量点与待测罐体底部的高度差。
5.如权利要求1所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于：所述待测罐体内部设置有密度标定点，所述控制单元用于在监测到所述待测罐体内承装的液体高度达到密度标定点时，生成密度检测信号，以使所述数据处理单元响应于密度检测信号，根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变密度转换模型得到液体密度测量值。
6.如权利要求5所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于，当所述待测方向为径向方向时，所述应变密度转换模型为径向应变密度转换模型，所述径向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρr表示基于径向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kr表示径向方向的电压-应变转换系数；Vor表示全桥应变片在径向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；h表示密度标定点与目标液位测量点之间的高度差；g表示重力加速度；pi表示内压。
7.如权利要求5所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于，当所述待测方向为周向方向时，所述应变密度转换模型为周向应变密度转换模型，所述周向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρθ表示基于周向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kθ表示周向方向的电压-应变转换系数；Voθ表示全桥应变片在周向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；h表示密度标定点与目标液位测量点之间的高度差；g表示重力加速度；pi表示内压。
8.如权利要求5所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于，当所述待测方向为轴向方向时，所述应变密度转换模型为轴向应变密度转换模型，所述轴向应变密度转换模型的计算公式为：
式中，ρz表示基于轴向应变密度转换模型测得的液体密度测量值；Po表示外部压力；λT表示与温度相关的罐体泊松比；Ro表示待测罐体在目标液位测量点处的外径；Ri表示待测罐体在目标液位测量点处的内径；ET表示与温度相关的罐体弹性模量；Kz表示轴向方向的电压-应变转换系数；Voz表示全桥应变片在轴向方向上的输出电压值；αT表示与温度相关的热膨胀系数；ΔT表示当前温度变化量；h表示密度标定点与目标液位测量点之间的高度差；g表示重力加速度；pi表示内压。
9.如权利要求1所述的一种基于全桥应变片的非接触式液位测量系统，其特征在于：所述非接触式液位测量系统设置于保护罩组件内，所述保护罩组件包括保护罩基座、螺栓组件和保护罩主体，所述保护罩主体通过所述螺栓组件固定在所述保护罩基座上；
所述保护罩基座包括保护罩基座板和保护罩粘合剂层，所述保护罩基座板通过保护罩粘合剂层粘接在待测罐体的目标液位测量点上。
10.一种基于全桥应变片的非接触式液位测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取用户输入的目标液位测量点，或者根据测量液位范围和液位约束条件，确定全桥应变片的最优安装位置，并将最优安装位置作为目标液位测量点；
通过单个全桥应变片测量目标液位测量点在待测方向上的应变测量值；所述待测方向包括径向方向、周向方向或轴向方向；
测量目标液位测量点处的当前罐体温度，并根据所述当前罐体温度和历史罐体温度计算得到当前温度变化量；
根据所述应变测量值和所述当前温度变化量，利用应变液位转换模型得到液位高度值。
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