液位傳感器中的光學(xué)相位差范圍確定及產(chǎn)品介紹

背景技術(shù)
目前有多種機(jī)制可用于測量容器中的液位計(jì)。還有許多測量技術(shù)可用于完全密封和加壓的容器。根據(jù)一種現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種機(jī)械裝置，通過該機(jī)械裝置，通常設(shè)置在平行于罐的中心軸線的透明管中的浮子允許直接觀察罐中的液位。該液位計(jì)的缺點(diǎn)在于它需要操作者實(shí)際觀察罐的液位。由于人為錯誤，這可能導(dǎo)致不正確的液位測量。

另一種方法利用浮子或類似裝置，該裝置直接連接到電氣/機(jī)械裝置，以產(chǎn)生表示罐中液位的電信號。然而，這種技術(shù)難以使用，或者在存在爆炸物或易燃流體，蒸汽或氣體的情況下或在必須電隔離的罐或容器中可能被禁止。

此外，這種現(xiàn)有技術(shù)通常需要靠近流體的機(jī)械或電子傳感裝置，導(dǎo)致維修這種直接接觸裝置的維修和維護(hù)負(fù)擔(dān)。該液位計(jì)在某些情況下，可能需要關(guān)閉或延遲工廠的操作以修理或維護(hù)這種傳感設(shè)備。

在測量領(lǐng)域中，已知使用發(fā)射和反射光信號之間的相位差的檢測來測量短距離（高達(dá)大約10千米）。然而，據(jù)信這些寬泛的原理迄今尚未應(yīng)用于測量容器中的液位的問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于實(shí)現(xiàn)液位的光學(xué)檢測的電路和裝置。由于在流體本身附近僅使用光信號，因此本發(fā)明的系統(tǒng)完全不引人注意并且不會干擾流體流動。而且，由于不需要機(jī)械或電氣傳感，因此與需要這種系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)相比，可以實(shí)現(xiàn)顯著的成本降低。

此外，由于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)不涉及實(shí)現(xiàn)液位測量的電氣或磁性裝置，因此該系統(tǒng)提供了固有安全的測量技術(shù)。具體地，不會引起或產(chǎn)生電流，也不存在火花與潛在爆炸性或易燃流體，蒸汽或氣體發(fā)生其他電接觸的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)測量液體的液位時，本發(fā)明的系統(tǒng)特別有用，其中需要保持被測液體的電氣狀態(tài)，因?yàn)闇y量系統(tǒng)與容器與流體電隔離。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于測量液面的液位的系統(tǒng)，包括：a）用于產(chǎn)生第一光信號的裝置; b）用于將所述第一光信號導(dǎo)向所述液體表面的裝置，所述用于引導(dǎo)的裝置設(shè)置在距所述待檢測液體表面一定距離處; c）設(shè)置在與所述用于引導(dǎo)的裝置相距一定距離處的反射器裝置，該裝置與所述待確定的液體表面的距離線性相關(guān)，用于反射所述第一光學(xué)信號以形成反射信號; d）用于接收和比較所述反射信號的裝置，所述第一光信號用于檢測其間的相移，其中所述相移與所述待檢測液體表面的距離成正比。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于測量容器內(nèi)液面的液位在預(yù)定水平范圍內(nèi)的系統(tǒng)，包括：a）發(fā)射器，用于交替產(chǎn)生第一光信號和第二光信號; b）連接到所述容器的配件; c）連接到所述發(fā)射器和所述配件的第一光導(dǎo)，用于接收所述第一光信號并將所述第一光信號傳輸?shù)剿�述配�? d）連接到所述發(fā)射器和所述配件的第二光導(dǎo)，用于接收所述第二光信號并將所述第二光信號發(fā)送到所述配件; e）在所述配件內(nèi)用于將所述第一光信號導(dǎo)向所述液體表面的裝置，所述用于引導(dǎo)的裝置設(shè)置在距所述待檢測液體表面一定距離處; f）設(shè)置在所述容器中與所述用于引導(dǎo)的裝置相距一定距離的反射器，所述反射器與所述待確定的液體表面的距離線性相關(guān)，用于反射所述第一光信號以形成反射的測距信號; g）與所述發(fā)射機(jī)相關(guān)的接收機(jī); h）連接到所述配件和所述接收器的第三光導(dǎo); i）在所述配件內(nèi)用于將所述反射的測距信號引導(dǎo)到所述第三光導(dǎo)中的裝置; j）連接到所述配件和所述接收器的第四光導(dǎo); k）在所述配件內(nèi)的裝置，用于將所述第二光信號導(dǎo)入所述第四光導(dǎo);

優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述
轉(zhuǎn)到圖 具體實(shí)施方式參考圖1，根據(jù)本發(fā)明示出了用于液位測量的光學(xué)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程光源1提供光信號，該光信號通過光導(dǎo)2傳送到進(jìn)行測量的位置3。在流體容器5的頂部或底部的配件4中，從光導(dǎo)2出射的光由透鏡6形成為傳播到容器中的光束。梁可以在管7中或在自由空間中傳播。反射器8布置成在離液體表面固定的距離處浮動。反射器可以是液體本身，或鏡子，或一個或多個角隅棱鏡反射器。圖2中所示的優(yōu)選布置。圖1示出了固定在從動件9上的反射器8，從動件9與浮子10磁耦合。浮子10具有環(huán)繞管7的環(huán)形形狀。

通過光學(xué)測距技術(shù)確定從配件4到反射器8的距離來進(jìn)行液位的測量。該測量在遠(yuǎn)程位置12由電子電路11執(zhí)行，電子電路11通過遠(yuǎn)程光源I產(chǎn)生光信號，并且僅通過諸如光導(dǎo)管的光導(dǎo)，經(jīng)由容器5的第二光學(xué)配件4處理從配件4返回的反射信號。如圖2和13所示，其特征在于非常低的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。因此，從容器5的內(nèi)部到外部沒有電連接或機(jī)械連接。

電子電路11在圖2中示意性地示出。較簡單的是，該電路包括發(fā)射器14，接收器15和信號處理電路16。

發(fā)射器連接到光源1，光源1通�？梢允羌す馄骰虬l(fā)光二極管，其設(shè)有用于將光信號耦合到光導(dǎo)2（圖1）中的裝置。發(fā)射器14包括設(shè)計(jì)成以穩(wěn)定頻率操作的振蕩器18。該振蕩器對來自光源1的發(fā)射功率施加周期性調(diào)制，其頻率對應(yīng)于與待測量的較大距離相當(dāng)?shù)恼{(diào)制波長，如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的。

接收器15包括光感受器19和23，例如光電二極管，用于接收由反射器8反射并通過透鏡6和光導(dǎo)13（圖1）耦合到感光器19的光信號，以及耦合到感光器23的光信號。在接收器內(nèi)，這些信號的調(diào)制強(qiáng)度被轉(zhuǎn)換成電信號并被放大。

從發(fā)射器14到感光器19的總路徑長度的變化通過信號處理電路16通過測量來自接收器15的檢測到的強(qiáng)度調(diào)制信號的相位與來自用于調(diào)制光學(xué)器件的發(fā)射器14的信號的相位相比較來確定。源變化主要是由于從配件4到反射器8的距離的變化。這些變化與浮子10的位置直接相關(guān)，因此與流體的水平直接相關(guān)。

盡管由于光程長度的變化引起的系統(tǒng)誤差與配件4和反射器8之間的距離無關(guān)，但由于路徑被限制在光導(dǎo)2和13內(nèi)，因此這些變化非常小，在路徑長度上對溫度變化等影響的靈敏度非常小。還可以通過發(fā)射機(jī)14，接收機(jī)15和信號處理電路16的電路中的相位變化，在發(fā)射信號和反射信號被比較的點(diǎn)之間引入誤差。為了補(bǔ)償這種誤差，第二光源20可以與第三光導(dǎo)21結(jié)合使用，用于以與光源1產(chǎn)生的信號反相的方式傳送來自發(fā)射器14的信號。

盡管這里分開引用了引導(dǎo)件21和22，但是根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，在LED 20和感光器23之間僅使用單根光纖。

運(yùn)作理論
根據(jù)本發(fā)明，通過比較由反射器8反射的光信號的相位與由光源1產(chǎn)生的參考信號的相位來確定范圍或距離。特別地，相位的變化與差異的變化直接相關(guān)。在傳播路徑的長度之間跟隨傳輸和反射的光信號。具體地，這種變化是由罐5的頂部（或底部）處的束形成元件6與以與液體表面已知關(guān)系定位的反射器8之間的距離的變化引起的。

優(yōu)選地，通過零差檢測（例如，通過將兩個信號相乘在一起）來確定發(fā)送信號和反射信號之間的相位差。乘積信號包含和頻率和差頻分量，但差頻分量為零頻率（即DC）。差信號的DC電壓電平僅取決于發(fā)射和反射光信號之間的相位差，從而提供從配件4到液位的距離變化的精確指示。

通過將參考信號作為電偏壓施加到光檢測器19，可以在接收器15中直接執(zhí)行零差乘法。該方法消除了在檢測之后發(fā)送的參考信號和反射信號之間的電路徑長度變化的可能性。但是，根據(jù)圖1所示的優(yōu)選實(shí)施例，在圖2中，通過信號處理電路16執(zhí)行相位檢測和比較。

如上所述，產(chǎn)生的DC電平差信號是正弦地取決于發(fā)射和反射光信號之間的相位差的電壓。為了避免模糊，必須限制要檢測的整個距離范圍，以便引起不大于180度的相位變化。因此，可測量的較大路徑差是發(fā)送的光信號在空氣中的波長的一半。傳輸和反射信號的路徑長度是裝配頭4和流體表面之間的實(shí)際距離范圍的兩倍。因此，測量范圍限于光信號波長的四分之一。實(shí)際上，為了確保合理的線性度，測量范圍應(yīng)限制在光信號波長的大約五分之一。例如，

本發(fā)明的液位傳感系統(tǒng)的分辨率由產(chǎn)生的參考信號的調(diào)制頻率和較小可檢測的相位變化確定，該較小可檢測的相位變化由信噪比控制。因此，如果在上面給出的示例中需要1cm的分辨率（即，要檢測的12mm的范圍），則必須檢測到0.12度的相位變化。假設(shè)0 dB的信噪比允許180度的相位分辨率，并且信號與噪聲的比率與相位分辨率成比例，則12 cm的1 cm分辨率所需的信噪比m為64 dB。

如上所述，反射信號的傳播延遲包括在包括光導(dǎo)2和13的光路的固定部分中的傳播延遲，以及發(fā)射機(jī)14中的相位和群延遲以及乘法器偏移的影響。這些影響都與溫度有關(guān)。為了使這種依賴性較小化，提供第二光源20用于產(chǎn)生與來自光源1的發(fā)射光信號相同的信號，第二發(fā)射信號被施加到另一光導(dǎo)21上。如上面參考圖1所討論的那樣。如圖1所示，第二參考信號通過光導(dǎo)22和光電二極管23直接從測量范圍的近端（即配件4）返回。出于本發(fā)明的目的，第一發(fā)送信號可以被稱為“測距信號“ 而第二發(fā)射信號可以稱為“參考信號”。參考信號和測距信號以比調(diào)制頻率慢得多的速率交替發(fā)送，但是以足夠高的速率發(fā)送，可以獲得穩(wěn)態(tài)條件。配置本發(fā)明的電路，使得分別從光源1和20輸出的參考信號和測距信號之間的差分延遲可以忽略不計(jì)。

在接收器15處，參考和測距信號遵循相同的電子路徑（參見圖4），使得當(dāng)參考信號被傳輸時來自乘法器的輸出構(gòu)成“零距離”電壓參考。假設(shè)承載參考和測距信號的光導(dǎo)2和21以及13和22具有相同的長度，則通過上述布置補(bǔ)償其間的任何相位變化。此外，電路忽略安裝過程中下引線長度的變化。

較佳模式說明
轉(zhuǎn)到圖 參照圖3-8，提供了完整的框圖和詳細(xì)的電路示意圖，以說明在提交本申請時實(shí)施本發(fā)明的較佳方式。

整體運(yùn)作
電路的整體操作如下:(參考圖3的框圖）晶體振蕩器產(chǎn)生精確的24MHz電信號，其驅(qū)動雙LED發(fā)射器。發(fā)射器將電24MHz信號轉(zhuǎn)換為以24MHz調(diào)制的光信號，并且分別從范圍LED1和參考LED20交替地發(fā)射到范圍和參考光纖中。范圍光學(xué)信號通過發(fā)射范圍光纖傳播到頭部配件組件，在那里它通過透鏡6向下聚焦在管子上。反射器8位于距流體水平的指定距離處并且將范圍信號反射回管子。返回范圍信號由透鏡6聚焦到接收范圍光纖中，在那里它傳播到接收器。

參考光信號通過發(fā)射參考光纖傳播到頭部裝配組件，然后通過接收參考光纖直接返回到接收器。接收的范圍和參考信號從光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并由接收器放大到可用的電平。盡管接收器處的光學(xué)水平變化，寬帶限制器輸出恒定幅度信號，這可能是由于反射器位置，光纖上的應(yīng)力，管組件或光纖連接器中的污染物，管組件的彎曲或溫度變化。

限幅器輸出驅(qū)動混頻器，該混頻器是由混頻器，測距跟蹤和保持，環(huán)路濾波器和壓控晶體振蕩器（VCXO）組成的鎖相環(huán)的一部分。在范圍間隔（發(fā)射器從范圍LED 1發(fā)射的時間）期間，鎖相環(huán)將VCXO的頻率和相位鎖定到限制器輸出處的范圍信號的頻率和相位。在參考間隔（發(fā)射器從參考LED 20發(fā)射的時間）期間，VCXO的頻率和相位由環(huán)路濾波器的電慣性維持。在參考間隔期間，將參考信號的相位與混頻器輸出的VCXO的相位進(jìn)行比較。這相當(dāng)于將參考信號的相位與范圍信號的相位進(jìn)行比較。

同步發(fā)生器指示發(fā)射器何時操作兩個LED中的每一個并協(xié)調(diào)兩個跟蹤和保持電路以正確地引導(dǎo)范圍和參考信號。測距跟蹤和保持僅允許混頻器輸出在范圍間隔期間傳遞到環(huán)路濾波器，這確保鎖相環(huán)僅鎖定在范圍信號上。參考跟蹤和保持僅允許混頻器輸出在參考間隔期間通過，并在范圍間隔期間將其輸出維持在參考間隔值。因此，參考跟蹤和保持輸出是混頻器輸出電壓，其對應(yīng)于范圍和參考信號之間的相位差。這種相位差僅僅是由于測距信號在管子上下移動所需的額外行程時間，這與頭部配件組件和反射器之間的距離成正比。因此，參考軌道和保持輸出處的電壓與從頭部到液位的距離成正比。

由于范圍和參考信號源自相同的晶體振蕩器和發(fā)射器，通過匹配的光纖長度，通過接收器和限制器采用相同的路徑，并驅(qū)動相同的混頻器，由于溫度變化或老化導(dǎo)致漂移的較好的機(jī)會是不匹配在發(fā)射器LED 1和20與接收器光電二極管19和23之間可以通過選擇具有大帶寬的裝置，在相同條件下操作它們并仔細(xì)選擇它們的電操作點(diǎn)來控制這種不匹配。

縮放距離電壓并通過縮放和低通濾波器電路對噪聲進(jìn)行濾波。A / D轉(zhuǎn)換器將模擬距離電壓更改為數(shù)字量，從而驅(qū)動校準(zhǔn)存儲器。該存儲器被編程為根據(jù)頭部和流體頂部之間的距離確定罐中流體的體積。然后顯示該卷。

圖。圖5-8示出了圖5中的塊的示意性電路細(xì)節(jié)。圖4中包括配件4的工程圖。圖9顯示了擬合的較佳模式。

詳細(xì)的電路操作
參考圖1。如圖7所示，晶體XTAL2確定振蕩器U3和相關(guān)電路的工作頻率。由于XTAL2是第三個泛音晶體，因此需要調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)L5和C13 / D20強(qiáng)制工作在24 MHZ而不是8 MHz。調(diào)諧二極管D20的使用有助于VCXO的溫度跟蹤。方波輸出TX RF OUT驅(qū)動發(fā)射機(jī)，如圖2所示。4. Q1放大信號，為LED提供足夠的驅(qū)動電流。由U1和相關(guān)電路組成的負(fù)反饋回路用于維持通過LED的恒定平均電流。FET晶體管Q2和Q3由同步發(fā)生器控制，并用于在范圍和參考LED之間交替切換。

圖1中的同步發(fā)生器。圖4由自由運(yùn)行的多諧振蕩器R23，C23和U6組成，它們驅(qū)動FET Q2和Q3以及脈沖寬度調(diào)節(jié)器R24，C25，D3和U6以及R25，C26，D4和U6。脈沖寬度調(diào)節(jié)器縮小來自多諧振蕩器的正脈沖，以驅(qū)動跟蹤和保持電路。變窄的脈沖允許LED開關(guān)瞬態(tài)在軌道之前平息并保持允許混頻器信號通過。

圖。圖5示出了接收器。兩個接收器光電二極管D1和D2并聯(lián)連接，以便任何一個可以驅(qū)動接收器放大器。調(diào)諧電感L1消除了光電二極管和FET Q1的電容效應(yīng)，從而提供更高的接收靈敏度。Q1，Q2和Q3構(gòu)成一個緩沖級聯(lián)前置放大器，用于24 MHz的高電壓增益。該前置放大器的輸出驅(qū)動集成電路視頻放大器U1，其增益設(shè)置為400倍（52 dB）。選擇總接收器增益以提供較大信號電平而不會過載。

圖。圖6示出了限幅器，其由Q10和Q11組成，配置為過驅(qū)動差分放大器。當(dāng)一個晶體管導(dǎo)通時，另一個晶體管截止，因此無論輸入信號電平高于某一點(diǎn)，電路的輸出電壓幅度都是恒定的。Q9和下部U4形成恒流源; 該電流的大小乘以集電極電阻R41和R42給出輸出信號幅度。上部U4平衡兩個晶體管，這使得輸入幅度變化的雜散信號相移較小化。

回到圖 在圖7中，U7是混頻器，它將VCXO的相位與來自限幅器的接收信號的相位進(jìn)行比較。它的輸出是差分輸出，由U5轉(zhuǎn)換為單端信號，以給出混頻器輸出電壓。調(diào)節(jié)器U9和運(yùn)算放大器U5（中間調(diào)節(jié)器）通過混頻器保持恒定電流，以實(shí)現(xiàn)高測量精度。MIXER VOLTAGE OUT在測距間隔期間由鎖相環(huán)確定的常數(shù)和在參考間隔期間對應(yīng)于浮動位置的可變電壓之間交替。圖。圖4示出了跟蹤和保持電路，4016 U2是FET開關(guān)，其允許在接通時發(fā)送信號并且在斷開時是開路。電容器C41和C40在U2關(guān)閉期間保持信號電壓，U1緩沖該電壓t以防止下垂。RANGE VOLTAGE OUT是恒定電壓，并由圖2中的環(huán)路濾波器調(diào)節(jié)。7（下部U5）驅(qū)動VCXO U3。VCXO具有與晶體振蕩器相同的結(jié)構(gòu)，除了調(diào)諧二極管D19允許足夠的頻率變化以允許兩個振蕩器之間的頻率和相位匹配。

參考跟蹤和保持在范圍間隔期間保持對應(yīng)于浮動位置的可變電壓，以給出恒定的DISTANCE VOLTAGE OUT。該電壓在圖2中縮放。在圖8中用U1，R3，R4和相關(guān)元件調(diào)節(jié)距離電壓以適應(yīng)模數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換器U2的輸入范圍。A / D轉(zhuǎn)換器的輸出對存儲器U3進(jìn)行尋址。在每個尋址的存儲器位置中存儲對應(yīng)于該地址給出的距離的流體體積。然后，該數(shù)字體數(shù)據(jù)操作由U4和LED顯示器組成的數(shù)字顯示器。除顯示外，該體積數(shù)據(jù)還可用于操作其他設(shè)備，如泵和閥門，以進(jìn)行過程控制。