带密度修正和缓冲腔的液位检测系统设计

　　在工业生产中对密封容器内部液位的检测越来越重要，迫切需要一种能进行高精度、大量程、连续监测的检测装置，以满足工业信息化管理的需求[1，2 ]。常用的液位传感器有旋转编码式传感器 ( 机械式) 、磁浮子接点式传感器、压电式传感器、非接触式传感器，其分辨率从毫米级到厘米级，测量范围从几十厘米到几十米[3，4 ]。由于密封容器内多储存有高压、易燃易爆的液体，如油田的储油罐、电厂调速系统的压力储油罐等，所以常规的接触式测量方法不合适，有时甚至是不允许的。非接触式测量方法，比如超声波法，存在回波信号衰减、液体内部因素( 成分、压力、温度等) 对声速的影响、外壁多次反射波造成测量盲区增加等缺点，难以保证测量精度，其他的测量方法存在可操作性和连续性差、检测动态范围小、测量精度不高、不安全等问题[5 ～ 9]。

　　传统的液位检测方法属于接触式测量，适用范围广。但是在密封容器内部安装困难、液面波动、数据处理模块使用的不是待测液体的实时密度值等，在实际应用中测量误差较大。笔者基于FBG 压力传感器检测原理，设计了一套可以实时检测并显示液位的装置。FBG 传感器以极低的损耗将信号传到较远的位置，因此可实现传感部分和处理部分的有效隔离，保证了安全检测。检测系统与装有待测液体的容器分离，也有利于在小范围内加强安全保护措施。液位缓冲腔可以避免液面波动; 密度检测装置实现密度值修正，降低外界因素对测量结果的影响，有效地克服了传统检测方法的缺点，实现了高精度、大范围检测。

　　1 基本原理

　　1. 1 FBG 压力传感器

　　笔者选择基于薄壁圆筒柱状结构的FBG 压力传感器，其结构如图1 所示。薄壁圆筒采用航空高压管直接作为弹性体在压力作用下产生轴向位移来拉动压力敏感光纤( FBG1) ，其灵敏度由航空高压管 ( 薄壁圆筒) 的几何尺寸和压力敏感光纤FBG 的有效长度决定[10]。在压力载荷p 的作用下筒体的变形量为

　　式中: D 为薄壁圆筒的内径; δ 为壁厚; Lst为筒体长

　　度; E 为弹性模量; μ 为泊松比。

　　设光纤光栅的应力系数为7 × 10 - 7 /με ( με 为微应变) ，则对于中心波长为1310 nm 的FBG 传感器压力响应灵敏度为

　　式中: LF为FBG1 的有效工作长度。

　　1. 2 检测原理

　　液面高度h 和静压强P 之间的关系式为P = ρgh ( 3)

　　式中: ρ 为液体密度; g 为重力加速度，g =9. 8 N/kg; h为液体内某处的深度; P 为液体压强。压力传感器输出的电压与它所受的压强成正比，只要测得容器内部某一高度的压强P，通过式