一种自动光纤对射式液体界面测定装置及其方法

摘要

本发明公开了一种自动光纤对射式液体界面测定装置，包括电动机、传动轴、同轴转轮、操控器、前置放大器、光纤传感器；前置放大器与光纤传感器固定连接并通过一个柔性件与同轴转轮相连接；操控器通过控制电动机带动传动轴控制同轴转轮旋转，用于控制前置放大器与光纤传感器的升降；所述操控器包括电压比较器、闭锁音频振荡器、指示器、界面设定电路；所述的前置放大器、界面设定电路、闭锁音频振荡器均与电压比较器连接；所述的光纤传感器经前置放大器与电压比较器相连接；所述指示器包括反相器、上限驱动器、下限驱动器；所述指示器的反相器经上限驱动器、下限驱动器与电压比较器相连接。本发明适于各种复杂混合层界面的测量和区分，测量精度高。

权利要求

1.一种自动光纤对射式液体界面测定装置，其特征在于，包括电动机(10)、传动轴(60)、同轴转轮(20)、操控器(30)、前置放大器(40)、光纤传感器(50)；

电动机(10)与同轴转轮(20)通过传动轴(60)同心连接；前置放大器(40)与光纤传感器(50)固定连接后，通过一个柔性件与同轴转轮(20)相连接；操控器(30)通过控制电动机(10)带动传动轴(60)控制同轴转轮(20)旋转，从而控制前置放大器(40)与光纤传感器(50)的升降；

所述操控器包括电压比较器(31)、闭锁音频振荡器(32)、指示器(33)、界面设定电路(34)；

所述的前置放大器(40)、界面设定电路(34)、闭锁音频振荡器(32)均与电压比较器(31)连接；

所述的光纤传感器(50)经前置放大器(40)与电压比较器(31)相连接；所述指示器(33)包括反相器、上限驱动器、下限驱动器；所述指示器(33)的反相器经上限驱动器、下限驱动器与电压比较器(31)相连接；

所述的同轴转轮(20)外缘设置有绕线槽；所述的柔性件一端缠绕在绕线槽内，另一端与固定连接的前置放大器(40)和光纤传感器(50)相连接；

所述光纤传感器(50)呈U形，头部开档尺寸取3mm-20mm；

所述光纤传感器(50)采用独立二路光纤束，其中一路的光纤用于光源的传递与发射，另一路用于回传发射光至接收光敏管；每路光纤束均是由多个光导纤维均匀排列而成；

所述光纤传感器长度为0.3m-0.5m。

2.一种采用权利要求1所述装置实现的自动光纤对射式液体界面测定方法，其特征在于：

首先启动自动光纤对射式液体界面测定装置，操控器(30)控制电动机(10)通过传动轴(60)带动同轴转轮(20)旋转，同轴转轮(20)在电气控制下带动前置放大器(40)和光纤传感器(50)上下移动，测量液体界面高度；所述光纤传感器(50)随被测液体混合物浓度大小输出相对应的强弱光强度变化，经置于光纤传感器(50)中光敏三极管输出为不同量级的电流变化值；所述电流变化值经前置放大器(40)放大后，在指示器(33)内通过电流变化体现出被测液体混合物浓度变化；

所述的指示器(33)的内阻的作用在其上端前置放大器(40)发射极上产生相对应的电压，此测试得到的经放大后的电压直接送入电压比较器(31)；其界面设定电路(34)与电压比较器(31)的两输入端同时连接，然后接调节电位器的中心；该调节电位器两端跨接所述的自动光纤对射式液体界面测定装置总电源；当调节所述的调节电位器时，可分别改变电压比较器(31)的参考电压，使其一端电压等于被测混合物界面的定标电压，从而达到界面测定效果。

说明书

一种自动光纤对射式液体界面测定装置及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于液体界面测定技术领域，涉及一种自动光纤对射式液体界面测定装置及其方法。

背景技术

[0002] 在水工、河工、港工模型试验中，经常需要对水下地形或者液体分层界面厚度有清晰的了解。因此急需研制出一种操作简单方便、仪器精确度高、液体适应能力强的界面测定装置，来满足工业生产及模型试验的需求。

[0003] 目前，测量液体界面的装置主要有两种，一种是超声波测量装置，另一种是光电式测量装置。

[0004] 中国专利“一种沉降槽泥浆界面高度在线检测装置”(专利号ZL03245920.3)的公开了一种超声波液体界面测定装置，其原理是利用水和淤积面的声传播速度有差异，当超声波发射脉冲经水到达淤积层表面时，由于介质不一样，部分超声波脉冲波被反射回去。但该种方法需要配备气源、气源分配器、恒流控制器以及取压器，其结构较复杂。另外，该超声波测量方法用于清水模型时较佳，当用于浑水时，模型砂粒径不出现悬沙模型中，往往因为淤积界面不清而直接影响读出精度。

[0005] 公告号为CN 101520338B的中国专利公开了一种光电式化学泥浆界面测量装置，该装置包括光电传感器、传动结构、控制单元以及显示单元。该装置通过传动机构带动光电传感器上下运动测量混合层界面。但该装置只能对清水层界面测量准确，当有淤积层时精确度难以保证。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术的不足，提供一种自动光纤对射式液体界面测定装置及其方法。其装置结构紧凑，使用方便，能对各种复杂的混合层界面进行测量和区分，且测量精度高。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下。

[0008] 本发明的一种自动光纤对射式液体界面测定装置，其特征在于，包括电动机、传动轴、同轴转轮、操控器、前置放大器、光纤传感器；电动机与同轴转轮通过传动轴同心连接；前置放大器与光纤传感器固定连接后，通过一个柔性件与同轴转轮相连接；操控器通过控制电动机带动传动轴控制同轴转轮旋转，用于控制前置放大器与光纤传感器的升降；

[0009] 所述操控器包括电压比较器、闭锁音频振荡器、指示器、界面设定电路；所述的前置放大器、界面设定电路、闭锁音频振荡器均与电压比较器连接；所述的光纤传感器经前置放大器与电压比较器相连接；所述指示器包括反相器、上限驱动器、下限驱动器；所述指示器的反相器经上限驱动器、下限驱动器与电压比较器相连接。

[0010] 所述的上限驱动器、下限驱动器和反相器均采用LM339电压比较器集成电路。

[0011] 所述的同轴转轮外缘设置有绕线槽；所述的柔性件一端缠绕在绕线槽内，另一端与固定连接的前置放大器和光纤传感器相连接。

[0012] 所述光纤传感器呈U形，头部开档尺寸取3mm-20mm。

[0013] 其中，所述光纤传感器采用独立二路光纤束，其中一路的光纤用于光源的传递与发射，另一路用于回传发射光至接收光敏管；所述的每路光纤束均是由多个光导纤维均匀排列而成。

[0014] 进一步的，所述光导纤维采用F626光导纤维。

[0015] 进一步的，所述光纤传感器长度为0.3m-0.5m。

[0016] 本发明的一种自动光纤对射式液体界面测定方法，其特征在于：首先启动自动光纤对射式液体界面测定装置，操控器控制电动机通过转轴带动同轴转轮旋转，同轴转轮在电气控制下带动前置放大器和光纤传感器上下移动，测量液体界面高度；所述光纤传感器随被测液体混合物浓度大小输出相对应的强弱光强度变化，经置于光纤传感器中光敏三极管输出为不同量级的电流变化值；所述电流变化值经前置放大器放大后，在指示器内通过电流变化体现出被测液体混合物浓度变化。

[0017] 与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：

[0018] 1.本发明测量装置可自动测定混合物界面，能够大幅度提高精确度。

[0019] 2.本发明采用光纤传播，较声波系统精度更高，且对于浑水类液面也可测量准确；

[0020] 3.本发明采用对射式光纤测量，相对于反射式测量，对于界面不明显的混合物，也可以达到精确的测量结果。

附图说明

[0021] 图1为本发明的一个实施例自动光纤对射式液体界面测定装置结构示意图。

[0022] 图2为本发明的一个实施例装置的操控器结构示意图。

[0023] 图3为本发明的一个实施例装置的电路原理图。

[0024] 图4为本发明的一个验证实例结果曲线图。

[0025] 图中，电动机10，同轴转轮20，操控器30，电压比较器31，闭锁音频振荡器32，指示器33，界面设定电路34，前置放大器40，光纤传感器50，传动轴60。

具体实施方式

[0026] 本发明公开了一种自动光纤对射式混合层界面测定装置包括电动机10、传动轴60、同轴转轮20、操控器30、前置放大器40、光纤传感器50。所述操控器30包括电压比较器
31、闭锁音频振荡器32、指示器33、界面设定电路34。其特征在于：电动机10与同轴转轮20通过传动轴60同心连接。前置放大器40与光纤传感器5固定连接后，通过一个柔性绳与同轴转轮20相连接。由操控器30通过有线传输自动控制前置放大器40与光纤传感器5的升降。而操控器30以电压比较器31为中心，闭锁音频振荡器32、指示器33以及界面设定电路34与其通过电气连接。操控器30控制整个测定装置，装置启动后，电动机10通过传动轴60带动同轴转轮20旋转，同轴转轮20通过数据传输线使前置放大器40和光纤传感器自动上下移动，测量液体界面高度；操控器30以电压比较器31(T1、T2)为中心，界面设定电路34、闭锁音频振荡器32皆与其电气连接；所述指示器33经上限驱动器、下限驱动器与电压比较器31相连接。所述光纤传感器经前置放大器40与电压比较器31相连接，所述光纤传感器随混合物浓度大小所引起遮光度变化而输出相对应的强弱光强度变化，经置于传感器中接收器件光敏三极管输出为不同量级的电流变化，经前置放大器BG1放大后，在其指示器33内有不同电流变化，可直观浓度变化；所述的柔性绳可采用钢丝绳。

[0027] 所述指示器33内阻R1的作用在其上端前置放大器BG1发射极上产生相对应的电压，此测试得到的经放大后的电压直接送入电压比较器31。所述界面设定电路34是利用电压比较器31(T1、T2)的输入端，同时连接后，接调节电位器W1的中心，而W1两端跨接整机电源5V，从而当调节W1时，分别改变各电压比较器31的参考电压，使其一端电压等于被测混合物界面的定标电压(浓度)，以达到界面设定效果。

[0028] 使用LM339电压比较器集成电路作为上限驱动器、下限驱动器和反相器。

[0029] 所述光纤传感器采用独立二路光纤束，包括数根均匀排列的F626光导纤维，由数百根极细的F626光导纤维组成，其中一路的光纤束用于光源的传递与发射，另一路用于回传发射光至接收光敏管。外包裹采用Φ6x1mm不锈钢管，测量头部选用Φ3x0.5mm细不锈钢管制作的弯头一对，同样上下四个光纤端面采用上述同样方式加封。该装置结构紧凑，使用方便，能对各种复杂的混合层界面进行测量和区分。

[0030] 其中，光导纤维采用F626光导纤维。

[0031] 光纤传感器的长度可为0.3m～0.5m。

[0032] 光纤传感器呈U形，头部开档尺寸取3mm-20mm。

[0033] 本发明的一种自动光纤对射式液体界面测定方法，其特征在于：操控器30控制整个测定装置，装置启动后，电动机10通过传动轴60带动同轴转轮20旋转，同轴转轮20通过数据传输线使前置放大器40和光纤传感器50自动上下移动，测量液体界面高度；其光纤传感器50随混合物浓度大小所引起遮光度变化而输出相对应的强弱光强度变化，经置于传感器中接收器件光敏三极管输出为不同量级的电流变化，经前置放大器40放大后，在其指示器33内通过电流变化体现浓度变化；指示器33的内阻的作用在其上端前置放大器40发射极上产生相对应的电压，此测试得到的经放大后的电压直接送入电压比较器31；其界面设定电路34与电压比较器31的输入端同时连接，接调节电位器的中心，调节电位器两端跨接本发明装置的总电源，调节电位器时，可分别改变电压比较器31的参考电压，使其一端电压等于被测混合物界面的定标电压。

[0034] 图3为本发明的一个实施例装置的电路原理图。如图3所示，本实施例电路包括7条主电路并联于电源之间；

[0035] 第一条：从1点流入，8点流出；前置放大器BG1与电流表直接串联；

[0036] 第二条：从2点流入，9点流出；电阻R2、前置放大器BG2与红色二极管并联；

[0037] 第三条：从3点流入，10点流出；电位器W1直连于电源之间；

[0038] 第四条：从4点流入，11点流出；电阻R5、R8与电压比较器T3串联；

[0039] 第五条：从5点流入，12点流出；电阻R7、绿色发光二极管与上限驱动器BG3串联；

[0040] 第六条：从6点流入，13点流出；电阻R10、R11与电容C1串联；

[0041] 第七条：从7点流入，14点流出；电压比较器T4与电容C2串联；

[0042] 其中，前置放大器BG1与电压比较器T3之间有电压比较器T1、T2并联；前置放大器BG2与电源正极之间有电阻R3、R4串联；电阻R6连接电压比较器T3正极与电源正极之间；电容C3与报警器连接与电压比较器T4负极与电源负极之间。

[0043] 由光纤传感器随混合物浓度大小所引起遮光度变化而输出相对应的强弱光强度变化，经置于传感器中接收器件光敏三极管输出为不同量级的电流变化，经前置放大器BG1放大后，在其指示器内有不同电流变化，可直观浓度变化，同时由于该表内阻R1的作用在其上端前置放大器BG1发射极上产生相对应的电压，此测试得到的经放大后的电压直接送入电压比较器。界面设定电路是利用电压比较器的输入端，同时连接后接界面设定用调节器电位器W1的中心，而W1两端跨接整机电源5V，从而当调节W1时，分别改变电压比较器的参考电压，使其一端电压等于被测混合物界面的定标电压(浓度)，以达到界面设定效果。因此，当自动光纤对射式液体界面测定装置浸入被测液体混合物中时，由于已将W1界面设定电位器调定，所以电压比较器T1、T2无输出，而用作反向器的电压比较器T3有输出，经上限驱动器使绿色二极管明亮，而当传感器继续下降达预先设定的液体界面式水下地形界面时，传感器输入讯号减小，电压比较器T1、T2的设定电压>外输出电压，此时分布有输出。T1经下限驱动器，使红色发光二极管明亮，T2输出控制闭锁振荡器解锁发出报警。

[0044] 为简化电路及提高可靠性，本发明的界面设定电位器采用多圈线绕电位器，电压比较器T1、T2、T3可公用一块LM339电压比较器集成电路板。为适应不同场合使用，该仪器采用交直流两用。交流供电时220V交流经变压器输出为两组6.5V交流经全波整流后，由7805三端集成稳压电路输出5V直流供整机工作，而当采用直流供电时，采用6节一号电池串流输入9V直流，同样7805三端集成稳压电路输出5V直流供整机工作。因此不论直流交流，均有保证完全一致的性能指标。

[0045] 本发明装置技术性能及指标如下：

[0046] 1.传感器长度：0.3米～0.5米；

[0047] 2.传感器头部开档尺寸：3mm-20mm；

[0048] 3.整机功耗：<3.5瓦

[0049] 本发明的一个验证实例结果如图4所示：将本装置用于实验室内实际操作，用于测定泥沙混合水的试样。水面测定结果准确，总体效果比普通液位测定系统提高准确度达15％。