一种用于液体压力计液面位置测量的浮子机构及测量方法

技术领域

本发明涉及液体压力计，尤其涉及一种用于液体压力计液面位置测量的浮 子机构。

背景技术

液体压力计，是一种利用液柱高度差直接进行压力测量的仪表。其最大 的优点是直观，能将较小的压力保持稳定状态，但要实现高准确度测量的最 大技术难点是液面位置测量。传统的测量液面方法大致分为二种，一种是在 玻璃管上刻上刻度目测玻璃管中液面的位置，另一种方法是调整液面并观察 固定在容器中的锥尖和其在液面中的倒影，使之即将相碰，此时锥尖的位置 就是液面位置。如附图1所示，最典型就是U形管压力计，测量准确度相当 低。附图2所示的方法相对较准确，典型例子就是补偿式微压计，其缺点第 一是平衡时的液面位置固定，其二是必须用目测来调节平衡位置，很难进行 自动控制和数字通讯。除了以上两种方法以外目前还有人采用超声波直接进 行液面位置测量。超声波的特征是频率高，波长短，绕射现象小，而且方向 性好，能够成为射线而定向传播。液面高度为超声波传播速度和传送时间的 积，Distance=VT。测量原理是打开超声波时触发脉冲计数到接收到返回信号 时停止计数,见附图3所示。为了使测量更准确，可以用横向固定距离来标定 超声波传送的一些常数。测量准确度有可能达到百分之几毫米的数量级。但 是，如果是采用介质为水的液体压力计，对应十分之几的Pa压力。测量的稳 定性和精确性则并不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于液体压力计液面位置测量的 浮子机构，解决现在液体压力计液面位置测量采用人眼目测或其它方法，精 确度无法保证，一致性很差的缺陷。

技术方案

一种用于液体压力计液面位置测量的浮子机构，设置在液体压力计的传 导介质液面上，其特征在于：包括浮子和浮子稳定机构，所述浮子包括浮体 和“T”形测量头，浮体采用铝合金浮体，测量头的“T”形顶端面为聚四氟 漫反射平面，浮体两端分别有伸出的稳定槽，所述稳定槽套在固定在液体压 力计的容器内的左右两个稳定支架的竖直立柱上，所述两个稳定支架竖直设 置在所述容器内上下平面之间，所述浮体以中心线对称设置，“T”形测量头 设置在此中心线对称轴上，所述容器内壁采用Teflon涂层。

进一步，所述浮体的左右两端分别贴近设置在容器内的左右两个稳定支 架。

进一步，所述浮体为向下的圆锥体。

进一步，所述容器为密封容器。

进一步，在所述容器上设置有激光位移计，配合所述浮子机构测量容器 内液面高度。

有益效果

本发明的浮子机构用在液体压力机的液面上，配合激光位移计或其它测 量装置就可以非常精确的得到液面的高度值，并观察到液面高度的变化，比 起现在眼睛直视精确度大大提高，而且即使在微压变化下，也能精确测试， 不受影响，稳定性非常好。

附图说明

图1为现有技术一种测量方法的示意图。

图2为现有技术另一种测量方法的示意图。

图3为现有技术中超声波测量原理示意图。

图4为本发明结构示意图。

图5为本发明结构配合激光位移计进行液面测量的原理示意图。

其中：1-浮体，2-测量头，3-测量头的“T”形顶端面，4-稳定槽，5-稳定支 架，6-传压介质液面,7-容器，8-半导体激光器，9-激光器前的镜片，10-收 集镜片，11-CCD阵列，12-信号处理器，13-被测物体。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

为解决在微压情况下的检测，新设计了一种浮子机构，将浮子机构设置 在液体压力计的容器7内的传导介质液面6上，整个浮子机构包括浮子和浮 子稳定机构，所述浮子包括浮体1和“T”形测量头2，浮体1采用铝合金浮 体，测量头的“T”形顶端面3为聚四氟漫反射平面，浮体1两端分别有伸出 的稳定槽4，所述稳定槽4套在固定在液体压力计的容器7内的左右两个稳定 支架4的竖直立柱上，所述两个稳定支架4竖直设置在所述容器7内上下平 面之间，稳定支架4能限制浮子转动和摇摆，参见附图4。容器7上方的激光 位移计，将激光光束射向漫反射表面的反射平面，根据不同的距离对应不同 的反射角进行距离测量。本浮子机构的容器7内壁采用Teflon涂层，以减小 容器内表面对介质的附着力，这样使附着力小于液体分子间的内聚力，液体 介质不易产生挂壁现象。

值得注意，该浮子机构的研制必须保证浮子的重心和其中心位置非常的 一致，不然浮子会倾斜并在稳定支架4上产生摩擦使浮力平衡发生变化，因 此所述浮体1以中心线对称设置，“T”形测量头2设置在此中心线对称轴上。

在所述容器7上可以设置有激光位移计，配合所述浮子机构测量容器内 液面高度。激光位移计采用光学三角法测量原理（见附图5）进行测量，也就 是将半导体激光器8射出的单色光，由激光器前的镜片9聚焦到被测物体13。 反射光被收集镜片10收集，投射到CCD阵列11上；信号处理器12通过三角 函数计算CCD阵列11上的光点位置得到距物体的距离。图中示意被测物体13 初始位置到移动位置的测量示意图。如果发射平面发生偏斜，则必然影响到 位置测量的准确度，所以浮子的漂浮状态十分重要。

为了测量绝压和真空，浮子机构必须完全密封。密封机构分三个部分： 一是上盖的嵌入式环形胶垫密封，第二个是压力接口的压力真空密封，第三 个是激光位移计和本机构的通光隔离密封。

实际测量时，以无压差时的激光位移计测量值D₀为零位，加压后测量时 的激光位移计读数D_x是一个相对的读数，实际的液面位置D：

D＝D_x-D₀-----------（1）

考虑到测量过程中的温度变化，实际的液面位置还必须进行介质密度的 温度修正，设初始状态的介质密度为ρ₀，介质密度的温度函数为ξ（t），则 工作状态的介质密度为

${\rho }_t={\rho }_0+{\int }_{t_0}^t\xi \left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

根据阿基米德定律浮力等于排开液体的重量，根据静力学平衡原则浮力 等于浮子的重力，则可推导出实际的液面位置

$D^{\prime }=D_x-D_0+4\frac{(\frac{{\rho }_0}{{\rho }_t}-1)}{{\mathrm{\pi d}}^2}{V}_0---\left(3\right)$

式中：d为浮子的外径；V₀为浮子浸入介质的初始体积。

由公式（2）和（3）可以计算出实际的液面变化值。

按照激光位移计的现有技术水平，其位置测量不确定度可达到7μ（k=2）， 测量范围为10mm。

本方案研制了高精度液体压力计中可动容器与固定容器内的浮子机构， 激光位移计设置在容器7上方，利用激光光束向漫反射表面的反射平面进行 距离测量。该浮子机构结构简单，设计新颖，实现高精度的测量。它比原有 的补偿压力计既扩大了测量范围又提高了测量不确定度，而且测量数据直接 是数字形式，可作为自动测量的重要部分引入至全自动微压测量的系统，使 检测装备实用性更强，更适用于实际微压计量的要求。