一种玻璃板液位计与液位测量方法与流程

1.本发明属于液位测量技术领域，涉及一种玻璃板液位计与液位测量方法。


背景技术：

2.在石油化工炼厂装置区域的设备上，需要玻璃板液位计来显示液位，透光式玻璃板液位计是应用最为普遍的一种。当被测介质为透明液体、光线透过液柱时，光线被反射、折射或吸收，透过液柱的光线强度比透过液柱上方气相的光线强度弱；依靠透过液柱和气相的光强度差，操作工来分辨液位。当距离稍微远一点，或者阴天、夜间光线比较暗时，光强度差别不大，判断液位比较困难。玻璃板液位计使用时间较长时，玻璃板内壁比较脏，光线透过的强度减弱，分辨液位也不容易。操作工有时甚至还需要在玻璃板液位计面前关闭一下根部阀，使液位明显波动一下才能看清液位。
3.当液体介质为有色透明介质时，可通过介质颜色与液柱上方气相的颜色差来分辨液位。但是大部分有色的油品介质都容易挂壁，分辨液位也不容易。
4.提高玻璃板液位计视觉的敏感性是一种解决方案，常用的方法是使用红绿双色色差来分辨液位；利用全反射原理、液柱与其上方气相介质相对于玻璃的折射率不同，使液柱与气相分别显示出背景中玻璃滤光片的红绿颜色。但是该方法仅适用于强光背景；背景光线比较暗或弱时，红绿颜色在暗色背景下本来就不醒目，再加上滤光片对光线的吸收，光强度减少更多。阴天或晚上的观测效果也不好。
5.也有的玻璃板液位计采用专用外加光源、强制增加背景光强度(尤其是锅炉水位计)，不依赖自然光和工厂照明灯光，这样玻璃板液位计的体积将很大。玻璃板的后部要加防爆灯并安装灯的外壳，造价也比较高。因为要引入220v交流电，需要考虑防爆；还需要拉电缆，施工量大。防爆灯使用寿命也有限，24小时全天一直开灯使故障率高，经常需要维修，防爆外壳也存在着安全隐患。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种玻璃板液位计与液位测量方法，以解决现有的玻璃板液位计分别存在的不容易看清液位、需采用外加光源等问题。
7.为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种玻璃板液位计，设有前玻璃板、后玻璃板、前压盖、后压盖、前夹紧架、后夹紧架，前压盖上设有导视孔，后压盖上设有观测孔，导视孔与前玻璃板相对，观测孔与后玻璃板相对，前玻璃板、后玻璃板、前夹紧架和后夹紧架围出测量腔，其特征在于：前玻璃板与测量腔相邻的表面上竖直设有前平凸柱面透镜，后玻璃板与测量腔相邻的表面上竖直设有后平凸柱面透镜，前平凸柱面透镜和后平凸柱面透镜的柱面与测量腔相邻，前夹紧架与测量腔相邻的表面上、后夹紧架与测量腔相邻的表面上均设有吸光层。
8.使用上述玻璃板液位计进行液位测量的方法，玻璃板液位计为对称结构，其特征在于：玻璃板液位计外部的光线经导视孔进入并通过前玻璃板，再进入并通过前平凸柱面
透镜，之后从前平凸柱面透镜的柱面射出、进入测量腔，测量腔的下部为液柱、上部为气相，光线进入液柱时形成第一路光线，进入气相时形成第二路光线，在通过液柱的一个水平面上，第一路光线通过液柱，在前平凸柱面透镜在液柱中的焦点处汇集，再从后平凸柱面透镜的柱面进入后平凸柱面透镜并通过后平凸柱面透镜，之后进入并通过后玻璃板，再通过观测孔射出，在观测孔的出口处，人眼迎着第一路光线的来光方向可观看到第一路光线形成的竖直光柱，从而测量出测量腔内液柱的液位。
9.采用本发明，具有如下的有益效果：1、人眼看到的第一路光线形成的竖直光柱较为明亮，其上方为灰暗背景，区分明显。因此可以容易地测量出测量腔内液柱的液位，从而测量出工艺设备内的液位。2、本发明使用自然光和工厂照明灯光，无需专用外加防爆光源，安全节能。3、本发明的玻璃板液位计结构比较简单、易于制造。需要的效果及功能依靠光路计算实现。4、本发明使用自然光和工厂照明灯光时不加滤光片，对光线不做任何减弱处理，最大限度地保留原始的光强度。5、本发明对光线的强度要求不高。强度越高，分辨越清晰。当光线强度较低时，因为第一路光线形成的竖直光柱与其上方灰暗背景的光强度差明显，液位同样容易辨识。6、本发明的玻璃板液位计可设计成对称结构，进行双向观测。7、本发明的玻璃板液位计对制造的要求不苛刻，容错性强，存在一些尺寸误差也不影响玻璃板液位计的使用功能。
10.本发明可用于石油化工、冶金、电力、食品和医药等多个行业，测量透明液体的液位。透明液体可以是无色和有色的透明液体。
11.下面结合附图、具体实施方式和实施例对本发明作进一步详细的说明。附图、具体实施方式和实施例并不限制本发明要求保护的范围。
附图说明
12.图1是本发明玻璃板液位计沿竖直方向通过测量腔的剖视图(局部)。
13.图2是图1中的t—t剖视图。
14.图3是人眼观看到的第一路光线形成的竖直光柱及其上方灰暗背景、还有遮光区的局部示意图。
15.图4是使用本发明玻璃板液位计进行液位测量的光学原理图。
16.图5是前平凸柱面透镜在测量腔内气相中的焦距计算原理图。
17.图1至图5中，相同附图标记表示相同的技术特征。附图标记表示：1—前玻璃板；2—后玻璃板；3—导视孔；4—螺栓螺母；5—测量腔；6—前夹紧架；7—前压盖；8—前平凸柱面透镜；9—后平凸柱面透镜；10—后压盖；11—后夹紧架；12—观测孔；13—吸光层；14—密封垫；15—遮光区；16—测量腔5内的液柱；17—第一路光线；18—第二路光线；19—第一路光线17形成的竖直光柱；20—第一路光线17形成的竖直光柱19上方的灰暗背景；21—玻璃板液位计第一对称面；22—玻璃板液位计第二对称面。
18.a—前平凸柱面透镜8的边缘点；∠a—外部光线在a点的入射角；b—前平凸柱面透镜8的柱面在a点的切线与光轴of的交点；∠b—第二路光线18在a点的出射角；c—前平凸柱面透镜8光心；d—前平凸柱面透镜8厚度；e—外部入射光线位置；f—前平凸柱面透镜8在测量腔5内气相中的焦点；g—nf延长线与ac的交点；h—来自a点的第二路光线18经焦点f射在吸光层13上的点；h—前平凸柱面透镜8的半宽度；k—后平凸柱面透镜9光心；l—测量腔5的
长度；m—前平凸柱面透镜8在测量腔5内液柱16中的焦点；n—后平凸柱面透镜9的边缘点；o—前平凸柱面透镜8柱面圆心；r—前平凸柱面透镜8柱面圆半径；s—遮光区15的半宽度；u—导视孔3的宽度；v—观测孔12的宽度；w—测量腔5的宽度。
具体实施方式
19.参见图1和图2，本发明的玻璃板液位计设有前玻璃板1、后玻璃板2、前压盖7、后压盖10和本体，本体设有前夹紧架6和后夹紧架11。前玻璃板1、后玻璃板2、前压盖7、后压盖10、前夹紧架6和后夹紧架11均竖直设置。前压盖7和后压盖10用螺栓螺母4连接。前玻璃板1的一个竖直侧部夹紧于前压盖7与前夹紧架6之间，前玻璃板1的另一个竖直侧部夹紧于前压盖7与后夹紧架11之间；后玻璃板2的一个竖直侧部夹紧于后压盖10与前夹紧架6之间，后玻璃板2的另一个竖直侧部夹紧于后压盖10与后夹紧架11之间；在各夹紧处均设有密封垫14。
20.前压盖7上设有导视孔3，后压盖10上设有观测孔12。导视孔3与前玻璃板1相对，观测孔12与后玻璃板2相对。导视孔3和观测孔12均为竖直的长条形孔，设置多个。各导视孔3在竖直方向上对齐排成一列，各观测孔12在竖直方向上对齐排成一列。每个导视孔3和观测孔12均带有两个侧面、一个顶面和一个底面；侧面竖直设置，顶面和底面水平设置。导视孔3的两个侧面相互平行，观测孔12的两个侧面相互平行。
21.前玻璃板1、后玻璃板2、前夹紧架6和后夹紧架11围出测量腔5，测量腔5在水平剖切面上的形状为长方形(不设前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9时)。前玻璃板1、后玻璃板2均为长方体形，竖直设置。本发明的玻璃板液位计一般为对称结构，通过上述测量腔5在水平剖切面上的长方形的两个长边中点的竖直平面为玻璃板液位计第一对称面21，通过上述长方形的两个短边中点的竖直平面为玻璃板液位计第二对称面22。前玻璃板1与后玻璃板2之间、前压盖7与后压盖10之间、导视孔3与观测孔12之间，前夹紧架6位于玻璃板液位计第一对称面21两侧的两部分之间、后夹紧架11位于玻璃板液位计第一对称面21两侧的两部分之间，还有下文所述的前平凸柱面透镜8与后平凸柱面透镜9之间，分别相对于玻璃板液位计第一对称面21对称。前夹紧架6与后夹紧架11之间，以及上述任意一个部件位于玻璃板液位计第二对称面22两侧的两部分之间，分别相对于玻璃板液位计第二对称面22对称。
22.测量腔5内处于密封状态，顶部和底部通过管道与需要测量液位的工艺设备连通(图略)。工艺设备内的液体通过管道进入测量腔5的底部并上升，直至测量腔5内的液位高度与工艺设备内的液位高度相同。
23.前玻璃板1与测量腔5相邻的表面上竖直设有前平凸柱面透镜8，后玻璃板2与测量腔5相邻的表面上竖直设有后平凸柱面透镜9。前玻璃板1与前平凸柱面透镜8为一体式结构、整体磨制。后玻璃板2与后平凸柱面透镜9为一体式结构、整体磨制。前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9的柱面(圆柱面的一部分)与测量腔5相邻。本发明所述的前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9的平面是这两个透镜单独存在时所具有的平面；当这两个透镜分别与前玻璃板1和后玻璃板2为一体式结构时，所述的平面仅仅是假想平面。前平凸柱面透镜8的竖直边缘、后平凸柱面透镜9的竖直边缘，均与测量腔5的边缘(包括密封垫14)对齐，如图4所示。
24.导视孔3、前平凸柱面透镜8、测量腔5、后平凸柱面透镜9与观测孔12相互对齐，如
图2所示。
25.前夹紧架6与测量腔5相邻的表面上、后夹紧架11与测量腔5相邻的表面上均设有吸光层13。吸光层13可以为粗砂打磨层、烧结积碳层或黑色吸光涂料层等。
26.导视孔3的宽度u、观测孔12的宽度v、测量腔5的宽度w、前平凸柱面透镜8的宽度2h和后平凸柱面透镜9的宽度2h一般相同，均为15～30毫米。前玻璃板1和后玻璃板2的材质一般为石英玻璃。前玻璃板1的厚度t和后玻璃板2的厚度t一般均为15～30毫米，主要根据测量腔5内液柱16和气相的压力确定。
27.前夹紧架6、后夹紧架11，前压盖7、后压盖10的材质可为碳钢或不锈钢等，根据测量腔5内液柱16和气相的腐蚀性确定。密封垫14的材质为弹性耐腐蚀材料。
28.在玻璃板液位计为对称结构的情况下，前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9的形状、尺寸、材质均相同。在同一水平面上，前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9的光心的间距(kc长度)，为前平凸柱面透镜8在测量腔5内液柱16中的焦距的2倍，即kc＝2mc(根据光路可逆原理，后平凸柱面透镜9在测量腔5内液柱16中的焦点也为m)。下面参照图4、图5、图2以及图1和图3，说明使用这种玻璃板液位计进行液位测量的方法。玻璃板液位计外部的光线(简称为外部光线)经导视孔3进入并通过前玻璃板1，再进入并通过前平凸柱面透镜8，之后从前平凸柱面透镜8的柱面射出、进入测量腔5，测量腔5的下部为液柱16、上部为气相，气相与液柱16中液相的折射率不同。光线进入液柱16时形成第一路光线17(如图4中的粗实线所示)，进入气相时形成第二路光线18(如图4中的虚线所示)。第一路光线17为主光线，位于第二路光线18的下方。第一路光线17和第二路光线18均为垂直于水平面的面状。在通过液柱16的一个水平面上，第一路光线17通过液柱16，在前平凸柱面透镜8在测量腔5内液柱16中的焦点m处汇集，再从后平凸柱面透镜9的柱面进入后平凸柱面透镜9并通过后平凸柱面透镜9，之后进入并通过后玻璃板2。最后第一路光线17通过观测孔12射出，光强度除被液柱16中的液相介质少量吸收外基本不变。在观测孔12的出口处(对应于观测孔12的下部)，人眼迎着第一路光线17的来光方向可观看到第一路光线17形成的竖直光柱19，从而测量出测量腔5内液柱16的液位，参见图3。
29.在通过测量腔5内液柱16上方气相的一个水平面上，第二路光线18通过液柱16上方的气相，在前平凸柱面透镜8在测量腔5内气相中的焦点f处汇集。因为液体的折射率与气体的折射率差别较大，所以fc比mc小很多。根据平凸柱面透镜光学原理，在焦点f处汇集的第二路光线18大部分(约85％～95％，不设置遮光区15时)射到吸光层13上，被吸光层13漫反射或吸收，很难进入后平凸柱面透镜9、后玻璃板2和观测孔12。因此，在观测孔12的出口处观看到的第一路光线17形成的竖直光柱19上方的背景20是灰暗的，明亮的竖直光柱19与灰暗背景20对比明显，容易观测，参见图3。竖直光柱19的顶部即为液柱16的液位。
30.玻璃板液位计外部的光线为自然光(一般为白天的太阳光)和工厂照明灯光(夜间照明灯光)。液柱16中的液相为透明液体。透明液体可以是无色的(例如水、甲醇或乙醇等)，也可以是有色的(例如汽油等)。液柱16上方的气相为空气和/或液柱16中的液相挥发出的气体。
31.附图中，各种字母的含义参见附图说明部分的说明。对于图4和图5中的字母，需要补充说明的是，前平凸柱面透镜8光心c，是在一个水平面上的点，不同水平面上的光心c位于一条竖直线上。前平凸柱面透镜8在测量腔5内气相中的焦点f，是在一个水平面上的焦
点，不同水平面上的焦点f位于一条竖直线上。前平凸柱面透镜8在测量腔5内液柱中的焦点m，是在一个水平面上的焦点，不同水平面上的焦点m位于一条竖直线上。后平凸柱面透镜9光心k，是在一个水平面上的点，不同水平面上的光心k位于一条竖直线上。前平凸柱面透镜8柱面圆心o，是在一个水平面上的圆心，不同水平面上的圆心o位于一条竖直线上。其它字母a、b、e、g、h、n的情况类似，说明从略。本发明选择通过测量腔5内液柱16和气相的水平面进行光线传播路径说明和计算。对于一个选定的水平面，所述的字母及其连接，还有各种的角、距离、光线，均位于这个选定的水平面上。在不同水平面上使用的相同字母显示在一幅图面上，而实际上是位于不同的水平面上。以上情况，可根据本发明的说明和本领域常识进行判断。另外，为了表达清楚，附图未按精确比例绘制。
32.参见图4，将后平凸柱面透镜9的边缘点n与焦点f相连，再延长nf、使其与ac相交于交点g，交点g到c的距离为s。在前平凸柱面透镜8的平面上，在玻璃板液位计第二对称面22的两侧、每侧宽度为s的范围内，从导视孔3、前玻璃板1进入的外部光线可以通过前平凸柱面透镜8和焦点f，作为第二路光线18的一部分，通过后平凸柱面透镜9、后玻璃板2，从观测孔12透出，从而使第一路光线17形成的竖直光柱19上方的灰暗背景20的亮度增加，与竖直光柱19的亮度对比度减小，影响观测效果。为解决这个问题，可以在前玻璃板1与导视孔3相邻的表面上竖直设置遮光区15。遮光区15对着前平凸柱面透镜8平面宽度方向的正中，遮光区15在竖直方向上的高度与前平凸柱面透镜8在竖直方向上的高度基本相同。在竖直方向上，遮光区15上、下边缘的中点均位于玻璃板液位计第二对称面22上。遮光区15的半宽度为s(半宽度即宽度的一半)，宽度为2s。参见图4，后平凸柱面透镜9的光心为k，根据相似三角形原理，三角形fnk与三角形fgc为相似三角形，可以得到s/h＝fc/(2
×
mc-fc)；在h、mc和fc已知的条件下，即可计算出s以及s/h。根据s/h，可得到遮光区15面积占前平凸柱面透镜8的平面的面积的百分数，该百分数通常为5％～15％。遮光区15与前平凸柱面透镜8的平面可以为长方形，此时s通常也为h的5％～15％。
33.设置遮光区15后，可以部分或完全阻挡住射到遮光区15的光线。由于遮光面积占采光总面积(即前平凸柱面透镜8平面的面积)的比例小，根据平凸柱面透镜的光学特性，设置遮光区15对第一路光线17形成的竖直光柱19的亮度没有太大影响，仅仅降低百分之几至百分之十几的亮度。但设置遮光区15后，在焦点f处汇集的第二路光线18几乎全部射到吸光层13上，基本上没有第二路光线18从观测孔12透出，使第一路光线17形成的竖直光柱19上方的灰暗背景20更暗，与竖直光柱19的亮度对比度较大、对比醒目，从而易于观测竖直光柱19。
34.遮光区15一般是在前玻璃板1与导视孔3相邻的表面上的磨砂区、喷漆涂色区或不透光带颜色胶带的粘贴区。
35.本发明的玻璃板液位计为对称结构时，根据光路可逆原理，导视孔3与观测孔12可以互换使用，即导视孔3用作观测孔12，观测孔12用作导视孔3。这样，在一个位置观测不方便时，可在另一个位置观测。此时，在后玻璃板2与观测孔12相邻的表面上也设置遮光区15，并与设置在前玻璃板1表面上的遮光区15相对于玻璃板液位计第一对称面21对称。
36.本发明对测量腔5的长度l(包括密封垫14的厚度)的要求有一定的容错性。当测量腔5的长度l存在误差，导致kc长度不是严格地为2倍mc时，不影响任何测量功能，只导致第一路光线17形成的竖直光柱19的光线变暗或变窄。当kc长度严格地为2倍mc时，竖直光柱19
的光强度最大且最宽。
37.实施例
38.使用本发明的玻璃板液位计进行液位测量，参见图1～图5。测量在白天进行，玻璃板液位计外部的光线为自然光。玻璃板液位计为对称结构，前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9的形状、尺寸相同。测量腔5下部的液柱16为水柱，水的折射率为1.333；液柱16上方的测量腔5内充满空气，空气的折射率为1.00029。本发明提到的折射率，未说明的均为相对真空的折射率。前玻璃板1、后玻璃板2、前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9的材质均为石英玻璃，折射率为1.55。
39.前平凸柱面透镜8在测量腔5内气相中的焦距计算原理图参见图5。图5中，前平凸柱面透镜8的剖面以及各字母及其所表示的量，还有第二路光线18，均显示在一个通过测量腔5内液柱16上方气相的水平投影面上。为简化计算，所有计算及原理说明均基于该投影面。玻璃板液位计外部的光线自空气中、从外部入射光线位置e射入前平凸柱面透镜8的边缘点a。o为前平凸柱面透镜8柱面圆心，f为前平凸柱面透镜8在测量腔5内气相中的焦点，则of为光轴，oa为法线。a点的切线与光轴of的交点为b。前平凸柱面透镜8的半宽度为h，柱面圆半径为r，厚度为d，光心为c。当ea平行于ob入射时，来自a点的出射光(属于第二路光线18)将与光轴相交于焦点f，并经过焦点f射在吸光层13上的h点。
40.前平凸柱面透镜8在气相中的焦距fc与前平凸柱面透镜8的厚度d及半宽度h的函数关系推导如下：
41.1、计算前平凸柱面透镜8柱面圆半径r：
42.根据勾股定理，r2＝h2 (r-d)2,r＝(h2 d2)/2d；
43.2、设第二路光线18在a点的出射角为∠b，外部光线在a点的入射角为∠a，
44.∠a与∠aob为内错角，∠a＝∠aob，sin∠aob＝h/r,sin∠a＝h/r；
45.3、设n为相对折射率。此处取n为石英玻璃相对空气的折射率，出射角∠b的正弦值为sin∠b，
46.sin∠b＝(sin∠a)/n＝(h/r)/n＝(h
×
n)/r，
47.∠b＝arcsin[(h
×
n)/r]；
[0048]
∠afo＝180
°‑
∠oaf-∠aof＝∠b-∠aob＝arcsin[(h
×
n)/r]-arcsin(h/r)，tan∠afo＝tan{arcsin[(h
×
n)/r]-arcsin(h/r)}＝ac/fc＝h/fc，焦距fc＝h/tan∠afo＝h/tan{arcsin[(h
×
n)/r]-arcsin(h/r)}
[0049]
当取d＝3mm，h＝10mm时，n＝1.55/1.00029≈1.55,计算可得前平凸柱面透镜8在气相中的焦距fc＝21.3mm。
[0050]
当计算前平凸柱面透镜8在液柱16中的焦距mc时，相对折射率n取为石英玻璃相对水的折射率＝1.55/1.333＝1.16。参照上述的计算方法和函数关系式以及图4、图5，可得到前平凸柱面透镜8在液柱16中的焦距mc为＝89.2mm。
[0051]
参照上述方法，可得到后平凸柱面透镜9在气相和液柱16中的焦距，说明从略。在后平凸柱面透镜9与前平凸柱面透镜8的形状、尺寸和材质相同的情况下，后平凸柱面透镜9在气相和液柱16中的焦距分别与前平凸柱面透镜8在气相和液柱16中的焦距相同，后平凸柱面透镜9的上述焦距不必计算，直接采用前平凸柱面透镜8的上述焦距。
[0052]
前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9的光心的间距为2倍mc。
[0053]
前玻璃板1上设有遮光区15。将上述的fc和mc代入s/h＝fc/(2
×
mc-fc)，可得到s/h＝13.6％，表明遮光区15面积仅占采光总面积的13.6％。后玻璃板2上也设有同样的遮光区15。
[0054]
可以参照实施例的方法，在各部件尺寸、测量腔5内液相和气相发生变化时进行有关的计算。一般过程就是：根据测量腔5内气相的折射率、液柱16中液相介质的折射率、前玻璃板1和前平凸柱面透镜8中玻璃材质的折射率、前平凸柱面透镜8的半宽度h和厚度d，计算出前平凸柱面透镜8在测量腔5内气相和液柱16中的焦距。之后，再得到后平凸柱面透镜9在测量腔5内气相和液柱16中的焦距。严格按照本发明方法计算出的结果确定本发明玻璃板液位计各部件的尺寸，使前平凸柱面透镜8和后平凸柱面透镜9在测量腔5内液柱16中的焦点位于玻璃板液位计第一对称面21上，可达到最佳的液位测量效果。