CN101504303B - 一种液面检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用光电传感器进行液面检测的方法及其装置，其采用在透明容器一侧上下按照预设距离分别设置一个光电传感器来接收液面经过其位置时容器另一侧的光源发出的光强，并将其转化为电信号并最终转化为数字信号再送至单片机，单片机先测出下端光电传感器送至的数字信号的最小值，再将上端光电传感器送至的数字信号与其对比，当两者差值最小时，即确定此时的液面位置为所需要控制的液面位置；本发明中由于比较值与被比较值均含有相同的测量误差，使得比较时误差相互抵消，从而使得本技术方案具有抗干扰性好、检测精度高的优点。

Description

一种液面检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种使用光电传感器进行液面检测的方法及其装置。

背景技术

在一些化工实验或者液体的检测中常常需要控制容器内液体的高度，这样就需要在往容器注入液体时检测和监控其液面的高度。传统的液面检测方法主要有差压式液面测量方法、浮子式液面测量方法等，但是在一些高腐蚀性、高粘性或者有毒性的液体容器中需检测液面时需要尽量避免测量仪器与液体相接触，上述方法就不大适用。现有技术中有一种采用光电传感器的液面测试方法可适用于这类液体，其主要步骤为：在透明容器内液体上升过程中使用设置于透明容器一侧预定高度的光电传感器来检测设置于透明容器的另一侧的光源透过容器以及容器和液体的光线光强信号，并将其转化为连续的电流信号，再使用一恒定阻值电阻电路将上述连续的电流信号分压后得到一连续的分压信号，再使用模数转换电路模块将分压信号转化为连续变化的数字信号并发送至单片机，单片机将收到的连续变化的数字信号与一个预设的最小值进行比较，当两者相等时可判定此时液面高度为所需要的液面高度。其工作检测的原理为，当液体在容器内部时，由于液体与容器壁之间发生浸润现象会使得液面呈凹面的现象，这样，当容器一侧的光线进入容器后会在液面之间发生折射和反射的现象并使得只有部分光线能从容器的另一侧射出，在光源定位使入射光线不变的情况下随着液面的逐渐升高，等于是使得光线的入射角在逐渐变大，当入射角大至临界值时，会在液面发生全反射的现象，此时能从容器的另一侧射出的光线强度达到一最小值，并且特别地，当入射光线为水平射入的时候这种现象最为明显。本方法的原理就是先使用光线折射定律计算出此最小值理论上的大小并将其预先设置在单片机程序内，再将检测到的从容器的另一侧射出的实际光线强度值与其比较，当两者相等时即可判定此时液面高度为所需要的液面高度，然后单片机就可通过后继的控制系统，控制液体的注入，这样就完成了检测液面并将其控制在所设定高度的过程。采用这种方法实质上是依靠控制光电传感器所设置的高度来确定和控制所需液面的高度，在使用控制过程中检测机构不和液体直接接触，能避免被具有腐蚀性的液体侵蚀损坏。但是采用这种现有的检测方法，光线在实际传播过程中会由于液面气泡等因素的干扰而偏离其纯理论上的传播路线，这样就使得当检测到的实际光线强度与预先计算并设定的最小值相等时，其实际液面高度已经偏离了想要控制的液面高度，从而使得检测不准确。

我国专利号92239645.0所公开的一种实用新型，专利名称为全反射式光学液面监视器，采用分别设置于被监视液面警戒位置两侧的发光器和受光器以及一个监测电路构成，其检测原理和上述的采用光电传感器的液面测试方法的检测原理实质上相同，其中的发光器等同于上述方法中的光源，受光器等同于上述方法中的光电转换器，监测电路等同于上述方法中的恒定阻值分压电路、模数转换电路模块以及单片机，所以此实用新型专利的技术方案同样存在上述方法中存在的由于液面气泡等因素干扰而使得监测不准确的问题。

综上所述，现有的这些采用光电传感器的液面测试方法均具有抗干扰性差、测量精度低的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足而提供一种抗干扰性好、测量精度高的液面检测方法，并随之提供一种本方法专用的检测装置。

为解决上述技术问题，发明人采用了如下的技术方案：

一种液面检测方法，包括以下步骤：

a、使用设置于透明容器一侧的光电传感器I来检测在液面上升并经过光电传感器I所在位置的过程中，设置于与光电传感器I相对的透明容器另一侧的光源I发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号I，并将其转化为连续的电流信号I；

b、再使用一恒定阻值电阻I将上述连续的电流信号I分压，得到连续的分压信号I；

c、使用模数转换电路模块I提取上述分压信号I并将其转化为连续变化的数字信号I，再将该数字信号I发送至单片机进行处理；

d、使用单片机来检测上述数字信号I的值并记为V₀，并得到V₀的最小值，将该最小值作为液体的特征值记为V₀′；此过程可靠单片机内预设的计算机程序自动完成；

e、使用设置于透明容器一侧光电传感器I的上方预定高度的光电传感器II来检测在液面上升并经过光电传感器II所在位置的过程中，设置于与光电传感器II相对的透明容器的另一侧的光源II发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号，并将其转化为连续的电流信号II；

f、再使用一恒定阻值电阻II将上述连续的电流信号II分压，得到连续的分压信号II；

g、使用模数转换电路模块II提取上述分压信号II并将其转化为连续变化的数字信号II，再将该数字信号II发送至单片机进行处理；

h、使用单片机来检测上述数字信号II的值并记为V₁，V₁为变化的待比较值，使用单片机比较V₁和V₀′，当两者之间差值为预设的最小值时液体液面位置即为所需要的液面位置，此时单片机发出控制信号停止往液体容器吸入液体，从而控制了液体液面在所需的准确位置上，并且从控制过程中可看出此位置高度与光电传感器II所在位置的高度相关，可通过改变光电传感器II所在位置的预定高度来控制液体液面定位在所需要的高度。其中比较V₁和V₀′差值的过程由单片机中预先装入的算法程序自动执行。

作为本方法的进一步优化，所述光电传感器I与光电传感器II特性一致，光源I与光源II特性一致，恒定阻值电阻II与恒定阻值电阻I特性一致，模数转换电路模块II与模数转换电路模块I特性一致。所述特性一致是指两者的大小、型号、规格、功能等属性均相同，这样可可进一步消除由于测量工具特性的不同而产生的误差，使得V₁和V₀′之间理论上的最小差值为零，即V₁＝V₀′时即得到所需要的液面位置。可使检测结果更准确。

作为本方法的进一步优化，所述恒定阻值电阻I和恒定阻值电阻II采用同一电阻，所述模数转换电路模块I与模数转换电路模块II采用同一模数转换电路模块；在当液面经过光电传感器I所在位置时，关闭光电传感器II，开启光电传感器I进行检测并得到最小值V₀′，得到V₀′之后，关闭光电传感器I，液面继续上升并经过光电传感器II所在位置时，开启光电传感器II进行检测，再将此时得到的V₁和V₀′进行比较来进行判断，这样更进一步地消除了由于测量工具的不同而产生的误差，可使检测结果更准确，而且由于只采用了一个恒定阻值电阻和模数转换电路模块，从而节俭了成本。

作为本方法的一种具体优选方案，所述光源I与光源II采用LED光管，且分别与光电传感器I和光电传感器II水平设置，所述模数转换电路模块I与模数转换电路模块II采用A/D芯片。

作为本方法技术方案的一种变形，还可以采用以下方式：即只使用一组光源、光电传感器、用于分压的恒定阻值电阻、模数转换电路模块和单片机，操作时，先将光源和光电传感器对应地设置于容器的下端两侧，得到V₀′后，再直接将光源和光电传感器对应地平行移动至容器的上端两侧后使用同样的方法检测得到连续的V₁值，再将此时得到的V₁和V₀′进行比较来进行判断，得到所需控制液面的位置。

本发明还提供一种用于上述液面检测方法的液面检测装置，包括设置于透明容器一侧的上下两个光源、对应地水平设置于透明容器两光源的另一侧的两个光电传感器、恒定电阻分压电路、模数转换电路模块和预设程序的单片机，所述两光电传感器以并联的方式接入所述恒定电阻分压电路，恒定电阻分压电路输出端接入所述模数转换电路模块，模数转换电路模块的输出端接入预设程序的单片机中。

作为本液面检测装置的进一步改进，所述的两光源和两光电传感器特性一致，即采用大小、属性均完全相同的两个光源和两个光电传感器；更进一步地作为一种具体优化选择，所述光源采用LED光管，所述光电传感器采用光电管，所述模数转换电路模块采用A/D芯片。

与现有技术相比较，本发明中在判断光线强度时，被用于比较的光线强度特征值V₀′为实际测定值而不是理论计算值，故当遇到待测液面含有气泡等干扰因素时，V₀′与V₁的值中均含有因气泡等原因引起的误差量，此误差量由于引起原因相同而基本相同，故两者相比较时即可使其误差量相互抵消，这样就使得当检测到V₁等于V₀′时，其实际液面高度恰好等于想要控制的液面高度，从而使得检测结果准确，检测精度高。

故本技术方案具有抗干扰性好、检测精度高的优点。

附图说明

图1为本发明检测方法的实施例的流程框图；

图2为本发明检测装置的实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述：

液面检测方法的实施例：

一种液面检测方法，包括以下步骤：

a、使用设置于透明容器一侧的光电传感器I来检测在液面上升并经过光电传感器I所在位置的过程中，设置于与光电传感器I相对的透明容器另一侧的光源I发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号I，并将其转化为连续的电流信号I；具体地，本实施例中的光源I采用LED光管，光电传感器I采用光电管，两者水平设置且两者连线经过容器的轴心。

b、再使用一恒定阻值电阻将上述连续的电流信号I分压，得到连续的分压信号I。

c、使用模数转换电路模块提取上述分压信号I并将其转化为连续变化的数字信号I，再将该数字信号I发送至单片机进行处理；具体地说，此处的模数转化电路模块采用A/D芯片来实现。

d、使用单片机来检测上述数字信号I的值并记为V₀，并得到V₀的最小值，将该最小值作为液体的特征值记为V₀′；此过程可靠单片机内预设的计算机程序自动完成。在单片机得到V₀′后关闭光电传感器I并继续以下步骤。

e、打开设置于透明容器一侧光电传感器I的上方预定高度的光电传感器II来检测在液面继续上升并经过光电传感器II所在位置的过程中，设置于与光电传感器II相对的透明容器的另一侧的光源II发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号，并将其转化为连续的电流信号II；具体地，本实施例中的光源II采用与光源I特性一致的LED光管，且光电传感器II也采用与光电传感器I特性一致的光电管，光源II和光电传感器II二者同样是水平设置且两者连线经过容器的轴心。

f、再使用步骤b中的恒定阻值电阻将上述连续的电流信号II分压，得到连续的分压信号II；具体地说，是将步骤e中的光电传感器II所在电路接入步骤b中的恒定阻值电阻分压电路中，将电流信号II分压得到连续的分压信号II。

g、使用步骤c中的模数转换电路模块提取上述分压信号II并将其转化为连续变化的数字信号II，再将该数字信号II发送至单片机进行处理。

h、使用步骤d中的单片机来检测上述数字信号II的值并记为V₁，V₁为变化的待比较值，使用单片机比较V₁和V₀′，当两者之间差值为最小时液体液面位置即为所需要的液面位置，此时单片机发出控制信号停止往液体容器吸入液体，从而控制了液体液面在所需的准确位置上，并且从控制过程中可看出此位置高度与光电传感器II所在位置的高度相关，可通过改变光电传感器II所在位置的预定高度来控制液体液面定位在所需要的高度。其中比较V₁和V₀′差值的过程由单片机中预先装入的算法程序自动执行。

如图1所示，对应地将两组特性相同的LED光源和光电管设置于待检测液体容器的两侧，将两组光电管以并联的方式接入一恒定阻值电阻分压电路中，再在其后接入A/D芯片模数转换电路，最后接入单片机，单片机还可与反馈控制电路相连。当液面上升经过下方的光电管时，光电管检测LED光源发出的光线光强并将其转化为连续的电流信号，该电流信号进入恒定阻值电阻分压电路后，得到一连续的分压信号，该分压信号进入A/D芯片模数转化电路后，经转化得到一连续变化的数字信号并送入单片机中，单片机通过自身预设的程序提取该连续变化的数字信号中的最小值并记为V₀′。然后关闭下方的光电管并打开上方的光电管，液面继续上升，当液面上升经过上方的光电管时，上方的光电管检测到LED光源发出的光线光强并将其转化为连续的电流信号，再将其送入同样的分压电路、模数转换电路并最终得到连续变化的数字信号V₁，再送入单片机进行处理，单片机靠预设的程序将此连续变化的数字信号V₁与V₀′进行比较，当两者的差值为预设的最小值时，(此最小值为预设程序中的预设值，理论上应该为零，但由于误差的存在，故此值设置为略大于零，是经验值，但实际设置时会考虑所需控制的液面位置精度、液体注入速度、液面上升速度、液体粘度等方面。)此时对应的液面位置即为所需的液面位置，此时，单片机可通过反馈控制电路，控制液体的注入，从而得到所需的液面位置。(本发明保护的内容仅涉及液面检测部分的方法和装置，其后继的控制部分不属于本发明所保护的内容。)

液面检测装置的实施例：如图2所示，一种用于上述液面检测方法的液面检测装置，包括设置于透明容器1一侧的上下两个特性一致的LED光源2、3、对应地水平设置于透明容器1两光源的另一侧的两个特性一致的光电管4、5、恒定电阻分压电路6、A/D芯片模数转换电路模块7和预设程序的单片机8，所述两光电管4、5以并联的方式接入所述恒定电阻分压电路6，恒定电阻分压电路6输出端接入所述模数转换电路模块7，模数转换电路模块7的输出端接入预设程序的单片机8中。

本发明的保护范围并不仅仅限于此实施例，其还可以在权利要求书的保护范围内做出种种等同变形，例如检测方法中的上下两组光电管还可以是采用各自与一组恒定电阻分压电路和模数转换电路模块相连转换后再接入单片机；或者只需要一组光源和光电管采用上下移动的方式让上升的液面两次经过光电管从而分别得到V₁与V₀′的方式进行检测；再例如，还可以是不需要采用模数转化电路模块，而改为采用一个自身还包含有模数转化模块功能的单片机，或者不采用光电管，改为采用光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等等，上述这些等同变化，都应该看做属于本发明的保护范围。同时，本发明技术方案的实质是比较两次检测过程中的光线光强信号的大小来进行判断，但由于目前测试手段有限，故将其转化为其他电压、电流信号后进行比较，今后如随着技术发展，出现了在本技术方案基础上可不作转换而直接比较光线光强信号的方法，其也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种液面检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)使用设置于透明容器一侧的光电传感器I来检测在液面上升并经过光电传感器I所在位置的过程中，设置于与光电传感器I相对的透明容器的另一侧的光源I发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号I，并检测出其最小值；

2)使用设置于透明容器一侧光电传感器I的上方预定高度的光电传感器II来检测在液面上升并经过光电传感器II所在位置的过程中，设置于与光电传感器II相对的透明容器的另一侧的光源II发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号II，将此值与步骤1)中的最小值进行比较，当两者之间差值为最小时的液体液面位置即为所需要的液面位置。

2.如权利要求1所述的液面检测方法，其特征在于所述步骤1中包括以下步骤：

a、使用设置于透明容器一侧的光电传感器I来检测在液面上升并经过光电传感器I所在位置的过程中，设置于与光电传感器I相对的透明容器的另一侧的光源I发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号I，并将其转化为连续的电流信号I；

b、将上述连续的电流信号I转化为连续变化的数字信号I，再将该数字信号I发送至单片机进行处理；

c、使用单片机来检测上述数字信号I的值并记为V₀，并得到V₀的最小值，将该最小值作为液体的特征值记为V₀′；

所述步骤2)中包括以下步骤：

d、使用设置于透明容器一侧光电传感器I的上方预定高度的光电传感器II来检测在液面上升并经过光电传感器II所在位置的过程中，设置于与光电传感器II相对的透明容器的另一侧的光源II发出并透过容器以及容器和液体的光线光强信号II，并将其转化为连续的电流信号II；

e、将上述连续的电流信号II转化为连续变化的数字信号II，再将该数字信号II发送至单片机进行处理；

f、使用单片机来检测上述数字信号II的值并记为V₁，V₁为变化的待比较值，使用单片机比较V₁和V₀′，当两者之间差值为预设的最小值时液体液面位置即为所需要的液面位置。

3.如权利要求2所述的液面检测方法，其特征在于所述步骤b中是先使用一恒定阻值电阻I将上述连续的电流信号I分压，得到连续的分压信号I，然后再使用模数转换电路模块I将上述分压信号I转化为连续变化的数字信号I；所述步骤e中是先使用一恒定阻值电阻II将上述连续的电流信号II分压，得到连续的分压信号II，然后再使用模数转换电路模块II将上述分压信号II转化为连续变化的数字信号II。

4.如权利要求3所述的液面检测方法，其特征在于所述光电传感器I与光电传感器II特性一致，光源I与光源II特性一致，恒定阻值电阻II与恒定阻值电阻I特性一致，模数转换电路模块II与模数转换电路模块I特性一致。

5.如权利要求4所述的液面检测方法，其特征在于所述恒定阻值电阻I和恒定阻值电阻II采用同一电阻，所述模数转换电路模块I与模数转换电路模块II采用同一模数转换电路模块。

6.如权利要求4或5所述的液面检测方法，其特征在于所述光源I与光源II采用LED光管，且分别与光电传感器I和光电传感器II水平设置，所述模数转换电路模块I与模数转换电路模块II采用A/D芯片。

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