液位传感器中的光学相位差范围确定及产品介绍

背景技术
目前有多种机制可用于测量容器中的液位计。还有许多测量技术可用于完全密封和加压的容器。根据一种现有技术，提供了一种机械装置，通过该机械装置，通常设置在平行于罐的中心轴线的透明管中的浮子允许直接观察罐中的液位。该液位计的缺点在于它需要操作者实际观察罐的液位。由于人为错误，这可能导致不正确的液位测量。

另一种方法利用浮子或类似装置，该装置直接连接到电气/机械装置，以产生表示罐中液位的电信号。然而，这种技术难以使用，或者在存在爆炸物或易燃流体，蒸汽或气体的情况下或在必须电隔离的罐或容器中可能被禁止。

此外，这种现有技术通常需要靠近流体的机械或电子传感装置，导致维修这种直接接触装置的维修和维护负担。该液位计在某些情况下，可能需要关闭或延迟工厂的操作以修理或维护这种传感设备。

在测量领域中，已知使用发射和反射光信号之间的相位差的检测来测量短距离（高达大约10千米）。然而，据信这些宽泛的原理迄今尚未应用于测量容器中的液位的问题。

发明内容
根据本发明，提供了一种用于实现液位的光学检测的电路和装置。由于在流体本身附近仅使用光信号，因此本发明的系统完全不引人注意并且不会干扰流体流动。而且，由于不需要机械或电气传感，因此与需要这种系统的现有技术相比，可以实现显着的成本降低。

此外，由于根据本发明的系统不涉及实现液位测量的电气或磁性装置，因此该系统提供了固有安全的测量技术。具体地，不会引起或产生电流，也不存在火花与潜在爆炸性或易燃流体，蒸汽或气体发生其他电接触的风险。

当测量液体的液位时，本发明的系统特别有用，其中需要保持被测液体的电气状态，因为测量系统与容器与流体电隔离。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量液面的液位的系统，包括：a）用于产生第一光信号的装置; b）用于将所述第一光信号导向所述液体表面的装置，所述用于引导的装置设置在距所述待检测液体表面一定距离处; c）设置在与所述用于引导的装置相距一定距离处的反射器装置，该装置与所述待确定的液体表面的距离线性相关，用于反射所述第一光学信号以形成反射信号; d）用于接收和比较所述反射信号的装置，所述第一光信号用于检测其间的相移，其中所述相移与所述待检测液体表面的距离成正比。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量容器内液面的液位在预定水平范围内的系统，包括：a）发射器，用于交替产生第一光信号和第二光信号; b）连接到所述容器的配件; c）连接到所述发射器和所述配件的第一光导，用于接收所述第一光信号并将所述第一光信号传输到所述配件; d）连接到所述发射器和所述配件的第二光导，用于接收所述第二光信号并将所述第二光信号发送到所述配件; e）在所述配件内用于将所述第一光信号导向所述液体表面的装置，所述用于引导的装置设置在距所述待检测液体表面一定距离处; f）设置在所述容器中与所述用于引导的装置相距一定距离的反射器，所述反射器与所述待确定的液体表面的距离线性相关，用于反射所述第一光信号以形成反射的测距信号; g）与所述发射机相关的接收机; h）连接到所述配件和所述接收器的第三光导; i）在所述配件内用于将所述反射的测距信号引导到所述第三光导中的装置; j）连接到所述配件和所述接收器的第四光导; k）在所述配件内的装置，用于将所述第二光信号导入所述第四光导;

优选实施例的详细描述
转到图 具体实施方式参考图1，根据本发明示出了用于液位测量的光学系统。远程光源1提供光信号，该光信号通过光导2传送到进行测量的位置3。在流体容器5的顶部或底部的配件4中，从光导2出射的光由透镜6形成为传播到容器中的光束。梁可以在管7中或在自由空间中传播。反射器8布置成在离液体表面固定的距离处浮动。反射器可以是液体本身，或镜子，或一个或多个角隅棱镜反射器。图2中所示的优选布置。图1示出了固定在从动件9上的反射器8，从动件9与浮子10磁耦合。浮子10具有环绕管7的环形形状。

通过光学测距技术确定从配件4到反射器8的距离来进行液位的测量。该测量在远程位置12由电子电路11执行，电子电路11通过远程光源I产生光信号，并且仅通过诸如光导管的光导，经由容器5的第二光学配件4处理从配件4返回的反射信号。如图2和13所示，其特征在于非常低的电导率和热导率。因此，从容器5的内部到外部没有电连接或机械连接。

电子电路11在图2中示意性地示出。较简单的是，该电路包括发射器14，接收器15和信号处理电路16。

发射器连接到光源1，光源1通常可以是激光器或发光二极管，其设有用于将光信号耦合到光导2（图1）中的装置。发射器14包括设计成以稳定频率操作的振荡器18。该振荡器对来自光源1的发射功率施加周期性调制，其频率对应于与待测量的较大距离相当的调制波长，如下面进一步详细描述的。

接收器15包括光感受器19和23，例如光电二极管，用于接收由反射器8反射并通过透镜6和光导13（图1）耦合到感光器19的光信号，以及耦合到感光器23的光信号。在接收器内，这些信号的调制强度被转换成电信号并被放大。

从发射器14到感光器19的总路径长度的变化通过信号处理电路16通过测量来自接收器15的检测到的强度调制信号的相位与来自用于调制光学器件的发射器14的信号的相位相比较来确定。源变化主要是由于从配件4到反射器8的距离的变化。这些变化与浮子10的位置直接相关，因此与流体的水平直接相关。

尽管由于光程长度的变化引起的系统误差与配件4和反射器8之间的距离无关，但由于路径被限制在光导2和13内，因此这些变化非常小，在路径长度上对温度变化等影响的灵敏度非常小。还可以通过发射机14，接收机15和信号处理电路16的电路中的相位变化，在发射信号和反射信号被比较的点之间引入误差。为了补偿这种误差，第二光源20可以与第三光导21结合使用，用于以与光源1产生的信号反相的方式传送来自发射器14的信号。

尽管这里分开引用了引导件21和22，但是根据优选实施例，在LED 20和感光器23之间仅使用单根光纤。

运作理论
根据本发明，通过比较由反射器8反射的光信号的相位与由光源1产生的参考信号的相位来确定范围或距离。特别地，相位的变化与差异的变化直接相关。在传播路径的长度之间跟随传输和反射的光信号。具体地，这种变化是由罐5的顶部（或底部）处的束形成元件6与以与液体表面已知关系定位的反射器8之间的距离的变化引起的。

优选地，通过零差检测（例如，通过将两个信号相乘在一起）来确定发送信号和反射信号之间的相位差。乘积信号包含和频率和差频分量，但差频分量为零频率（即DC）。差信号的DC电压电平仅取决于发射和反射光信号之间的相位差，从而提供从配件4到液位的距离变化的精确指示。

通过将参考信号作为电偏压施加到光检测器19，可以在接收器15中直接执行零差乘法。该方法消除了在检测之后发送的参考信号和反射信号之间的电路径长度变化的可能性。但是，根据图1所示的优选实施例，在图2中，通过信号处理电路16执行相位检测和比较。

如上所述，产生的DC电平差信号是正弦地取决于发射和反射光信号之间的相位差的电压。为了避免模糊，必须限制要检测的整个距离范围，以便引起不大于180度的相位变化。因此，可测量的较大路径差是发送的光信号在空气中的波长的一半。传输和反射信号的路径长度是装配头4和流体表面之间的实际距离范围的两倍。因此，测量范围限于光信号波长的四分之一。实际上，为了确保合理的线性度，测量范围应限制在光信号波长的大约五分之一。例如，

本发明的液位传感系统的分辨率由产生的参考信号的调制频率和较小可检测的相位变化确定，该较小可检测的相位变化由信噪比控制。因此，如果在上面给出的示例中需要1cm的分辨率（即，要检测的12mm的范围），则必须检测到0.12度的相位变化。假设0 dB的信噪比允许180度的相位分辨率，并且信号与噪声的比率与相位分辨率成比例，则12 cm的1 cm分辨率所需的信噪比m为64 dB。

如上所述，反射信号的传播延迟包括在包括光导2和13的光路的固定部分中的传播延迟，以及发射机14中的相位和群延迟以及乘法器偏移的影响。这些影响都与温度有关。为了使这种依赖性较小化，提供第二光源20用于产生与来自光源1的发射光信号相同的信号，第二发射信号被施加到另一光导21上。如上面参考图1所讨论的那样。如图1所示，第二参考信号通过光导22和光电二极管23直接从测量范围的近端（即配件4）返回。出于本发明的目的，第一发送信号可以被称为“测距信号“ 而第二发射信号可以称为“参考信号”。参考信号和测距信号以比调制频率慢得多的速率交替发送，但是以足够高的速率发送，可以获得稳态条件。配置本发明的电路，使得分别从光源1和20输出的参考信号和测距信号之间的差分延迟可以忽略不计。

在接收器15处，参考和测距信号遵循相同的电子路径（参见图4），使得当参考信号被传输时来自乘法器的输出构成“零距离”电压参考。假设承载参考和测距信号的光导2和21以及13和22具有相同的长度，则通过上述布置补偿其间的任何相位变化。此外，电路忽略安装过程中下引线长度的变化。

较佳模式说明
转到图 参照图3-8，提供了完整的框图和详细的电路示意图，以说明在提交本申请时实施本发明的较佳方式。

整体运作
电路的整体操作如下:(参考图3的框图）晶体振荡器产生精确的24MHz电信号，其驱动双LED发射器。发射器将电24MHz信号转换为以24MHz调制的光信号，并且分别从范围LED1和参考LED20交替地发射到范围和参考光纤中。范围光学信号通过发射范围光纤传播到头部配件组件，在那里它通过透镜6向下聚焦在管子上。反射器8位于距流体水平的指定距离处并且将范围信号反射回管子。返回范围信号由透镜6聚焦到接收范围光纤中，在那里它传播到接收器。

参考光信号通过发射参考光纤传播到头部装配组件，然后通过接收参考光纤直接返回到接收器。接收的范围和参考信号从光信号转换为电信号，并由接收器放大到可用的电平。尽管接收器处的光学水平变化，宽带限制器输出恒定幅度信号，这可能是由于反射器位置，光纤上的应力，管组件或光纤连接器中的污染物，管组件的弯曲或温度变化。

限幅器输出驱动混频器，该混频器是由混频器，测距跟踪和保持，环路滤波器和压控晶体振荡器（VCXO）组成的锁相环的一部分。在范围间隔（发射器从范围LED 1发射的时间）期间，锁相环将VCXO的频率和相位锁定到限制器输出处的范围信号的频率和相位。在参考间隔（发射器从参考LED 20发射的时间）期间，VCXO的频率和相位由环路滤波器的电惯性维持。在参考间隔期间，将参考信号的相位与混频器输出的VCXO的相位进行比较。这相当于将参考信号的相位与范围信号的相位进行比较。

同步发生器指示发射器何时操作两个LED中的每一个并协调两个跟踪和保持电路以正确地引导范围和参考信号。测距跟踪和保持仅允许混频器输出在范围间隔期间传递到环路滤波器，这确保锁相环仅锁定在范围信号上。参考跟踪和保持仅允许混频器输出在参考间隔期间通过，并在范围间隔期间将其输出维持在参考间隔值。因此，参考跟踪和保持输出是混频器输出电压，其对应于范围和参考信号之间的相位差。这种相位差仅仅是由于测距信号在管子上下移动所需的额外行程时间，这与头部配件组件和反射器之间的距离成正比。因此，参考轨道和保持输出处的电压与从头部到液位的距离成正比。

由于范围和参考信号源自相同的晶体振荡器和发射器，通过匹配的光纤长度，通过接收器和限制器采用相同的路径，并驱动相同的混频器，由于温度变化或老化导致漂移的较好的机会是不匹配在发射器LED 1和20与接收器光电二极管19和23之间可以通过选择具有大带宽的装置，在相同条件下操作它们并仔细选择它们的电操作点来控制这种不匹配。

缩放距离电压并通过缩放和低通滤波器电路对噪声进行滤波。A / D转换器将模拟距离电压更改为数字量，从而驱动校准存储器。该存储器被编程为根据头部和流体顶部之间的距离确定罐中流体的体积。然后显示该卷。

图。图5-8示出了图5中的块的示意性电路细节。图4中包括配件4的工程图。图9显示了拟合的较佳模式。

详细的电路操作
参考图1。如图7所示，晶体XTAL2确定振荡器U3和相关电路的工作频率。由于XTAL2是第三个泛音晶体，因此需要调谐网络L5和C13 / D20强制工作在24 MHZ而不是8 MHz。调谐二极管D20的使用有助于VCXO的温度跟踪。方波输出TX RF OUT驱动发射机，如图2所示。4. Q1放大信号，为LED提供足够的驱动电流。由U1和相关电路组成的负反馈回路用于维持通过LED的恒定平均电流。FET晶体管Q2和Q3由同步发生器控制，并用于在范围和参考LED之间交替切换。

图1中的同步发生器。图4由自由运行的多谐振荡器R23，C23和U6组成，它们驱动FET Q2和Q3以及脉冲宽度调节器R24，C25，D3和U6以及R25，C26，D4和U6。脉冲宽度调节器缩小来自多谐振荡器的正脉冲，以驱动跟踪和保持电路。变窄的脉冲允许LED开关瞬态在轨道之前平息并保持允许混频器信号通过。

图。图5示出了接收器。两个接收器光电二极管D1和D2并联连接，以便任何一个可以驱动接收器放大器。调谐电感L1消除了光电二极管和FET Q1的电容效应，从而提供更高的接收灵敏度。Q1，Q2和Q3构成一个缓冲级联前置放大器，用于24 MHz的高电压增益。该前置放大器的输出驱动集成电路视频放大器U1，其增益设置为400倍（52 dB）。选择总接收器增益以提供较大信号电平而不会过载。

图。图6示出了限幅器，其由Q10和Q11组成，配置为过驱动差分放大器。当一个晶体管导通时，另一个晶体管截止，因此无论输入信号电平高于某一点，电路的输出电压幅度都是恒定的。Q9和下部U4形成恒流源; 该电流的大小乘以集电极电阻R41和R42给出输出信号幅度。上部U4平衡两个晶体管，这使得输入幅度变化的杂散信号相移较小化。

回到图 在图7中，U7是混频器，它将VCXO的相位与来自限幅器的接收信号的相位进行比较。它的输出是差分输出，由U5转换为单端信号，以给出混频器输出电压。调节器U9和运算放大器U5（中间调节器）通过混频器保持恒定电流，以实现高测量精度。MIXER VOLTAGE OUT在测距间隔期间由锁相环确定的常数和在参考间隔期间对应于浮动位置的可变电压之间交替。图。图4示出了跟踪和保持电路，4016 U2是FET开关，其允许在接通时发送信号并且在断开时是开路。电容器C41和C40在U2关闭期间保持信号电压，U1缓冲该电压t以防止下垂。RANGE VOLTAGE OUT是恒定电压，并由图2中的环路滤波器调节。7（下部U5）驱动VCXO U3。VCXO具有与晶体振荡器相同的结构，除了调谐二极管D19允许足够的频率变化以允许两个振荡器之间的频率和相位匹配。

参考跟踪和保持在范围间隔期间保持对应于浮动位置的可变电压，以给出恒定的DISTANCE VOLTAGE OUT。该电压在图2中缩放。在图8中用U1，R3，R4和相关元件调节距离电压以适应模数（A / D）转换器U2的输入范围。A / D转换器的输出对存储器U3进行寻址。在每个寻址的存储器位置中存储对应于该地址给出的距离的流体体积。然后，该数字体数据操作由U4和LED显示器组成的数字显示器。除显示外，该体积数据还可用于操作其他设备，如泵和阀门，以进行过程控制。