新型浮子式液位计的机电一体化设计

　　目前国内外常见的液位测量系统分为接触型和非接触型2种。接触型的如人工检尺、浮子式等,非接触型的有雷达式、超声波式等。与传统的浮子式,人工检尺法相比,雷达式、超声波式在技术含量和测量精度上都有着相当的优势,但由于价格和使用环境的限制,雷达式和超声波式的液位计在国内无法得到大规模地使用。据统计,国内目前使用最为广泛的是人工检尺和浮子式的液位计,人工检尺对工人的操作要求较高,且在环境恶劣时,存在严重的安全隐患,因此,研制一套具有较高精度的实用的浮子式液位计有着重要的现实意义。为此,本文介绍一种新型的浮子式液位计,可用于测量河道、油罐等的液体液位。该液位计采用机电一体化设计,不仅可以实时采集液位数据进行显示,还可以通过485总线将数据传送给上位机,构成一个完整的计算机控制系统。

　　1　方案设计

　　1·1　机械结构设计

　　该液位计采用绝对编码器配以高精度联轴器传动机构、排线轮、钢丝绳、浮子、配重等零部件构成,如图1所示。浮子的大小和配重都经过专门的计算,让浮子的重力与配重的重力和液体的浮子构成了一个自重力平衡系统,使得浮子以稳定的吃水线漂浮在水面上,当液位变化时,浮子也随之上升或下降,则同浮子连接的钢丝绳带动排线轮转动,并通过弹性联轴器带动编码器转动,从而使编码器输出与液位对应的数字编码。

　　该结构与传统的采用定滑轮或步进电机的方案相比较,结构简单,加工方便,并可有效地避免由于打滑带来的不确定误差。

　　此外,为了实现大量程高分辨率的液位测量,该液位计采用了由海德汉公司生产的绝对编码器ROQ425,与传统的增量编码器相比,绝对编码器的每一个位置都有确定的数值与之相对应,断电后无需重新调校,具有断电记忆功能,即断电恢复后,编码器仍输出即时水位。ROQ425具有12位多圈,13位单圈的高分辨率,以笔者设计的液位计为例,排线轮直径d为200 mm,则其分辨率误差为πd/213=0.077 mm,满足测量精度的要求。

　　1·2　小体积封装的机械结构设计

　　图1所示的机械结构方案的结构体积较大,如果需要小体积封装,用于例如油罐等液位测量时,机械机构可以采如图2所示的较小体积的封装机构。

　　图2所示结构方案原理同上,由于采用了非同轴设计,排线可直接绕在3个定滑轮构成的滑轮组上(见图2),绝对编码器与中间的定滑轮相连。如果对空间仍然有要求,可以只保留中间的定滑轮,把左右两边的定滑轮舍弃

　　2　误差分析

　　作为一个测量系统,最为重要的就是精度与误差的控制,基于本液位测量系统原理和方法所造成的误差,经分析后认为主要有以下几方面。