CN102645253B - 一种光电式连续液位测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电式连续液位测量方法及装置，包括：在传感器模块的控制下，由下至上逐个驱动当前传感器单体检测其所在位置返回的光强，并对检测到的光强对应的电压值进行模数转换；依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前传感器单体所在位置的液位；同样，在对应传感器模块分时控制下的其它传感器单体所在位置液位的测量完成后；通过不同模块之间的数据传输，将各传感器单体的液位汇总至变送器接口前端，经分析处理后得到当前液体的总液位，并以规定的接口形式输出。本发明采用模块化结构，根据量程的需要自由组装和定位，提高了对不同量程的适用性，且方便运输。而且，还具有实时自校准功能，提高了抗污染和抗漂移的能力。

Description

一种光电式连续液位测量方法及装置

技术领域

本发明属于容器标定技术领域，尤其涉及一种光电式连续液位测量方法及装置。

背景技术

物位包括液位和料位两类。对液位进行测量的方式包括使用液位信号器和连续液位测量两种。液位信号器是对几个固定位置的液位进行测量，用于液位的上、下限报警等方面。连续液位测量是对液位连续的进行测量，广泛的应用于石油、化工、食品加工等诸多领域。

目前，应用于连续液位测量的方法包括：人工检尺法、浮球法、伺服阀、静压法磁致伸缩法、超声波法、光纤传感器法和电容法等方法。在实际应用中，可以根据价格、测量精度、被测介质的特点等因素，合理选择液位仪的种类。虽然有这么多的测量方法可以选择，但在某些条件下，仍然难以达到使用条件的要求。

例如：当采用上述方式，在对通讯用后备电源，柴油发电机油箱液位的检测中，将面临以下问题：

1、玻璃管法、人工检尺法等这些需要人员参与的非电量测方法不适用于无人值守的使用条件；

2、柴油在存储过程中会产生絮状固体沉淀物，积累厚度可达2厘米到5厘米。使用光纤传感器、投入式液位传感器等仪表，由于必须将传感器置于容器底部，且压力传递材料为弹性膜片，该膜片易受固体沉淀物封堵或损伤，造成压力传递不畅等问题，因此，在实际使用时会有液位波动、测量偏差大等问题；

3、由于油箱的体积和形状种类较多，不同的油箱量程在30厘米到200厘米之间。因此，浮球法的量程太小不适用于测量油箱液位。磁致伸缩法、电容法等固定量程的仪表在运输、安装和施工方面很不方便。

4、柴油发动机工作时会有振动，因此，浮桶法、伺服法等存在机械活动部件的传感器不适于在振动条件下的使用。

另一种应用实例，是在汽车油箱液位检测方面，广泛使用浮子法。在直管上套装一个浮子，浮子内设置一个磁环，直管内设置多个干簧管。浮子随液位沿直管上下滑动，在靠近浮子的干簧管收到浮子内部的磁环作用而吸合，从而送出液位信号。浮子法原理简单，造价比较低，但也存在非连续液位测量和存在机械运动部件可靠性差的问题。

有一种光纤压力传感器也可以测量液位。其结构是：在一个外套内，将一根光纤侧端置于弹性膜片的前端，弹性膜片上有一层反光膜。当液位变化时，弹性膜片产生位移，带动反光膜移动，使探头感受的光强发生变化，从而感知压力(液位)的变化。这种传感器外形细小，可做成特殊形状与被测件相配合。同时，该传感器也存在制作难度较大，成本高等缺点。更重要的是，该传感器必须有弹性膜片，与扩散硅膜盒投入式液位传感器同样，不适用于柴油发电机油箱这种有固体颗粒物存在的条件下测量。

在当前科技发展日新月异的情况下，面对各种装有液体的设备和装置，在进行液位测量时，需要一种能够在恶劣工况条件下工作，不受特定因素干扰的，对液位进行精确测量的方法和装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光电式连续液位测量方法及装置。以克服现有技术中不能达到使用条件的，无法进行准确液位测量的情况。

为解决上述问题，本发明提出如下解决方案：

一种光电式连续液位测量方法，应用于包括至少一个由多个传感器单体级联组成的传感器模块的光电式连续液位测量装置，包括：

由下至上逐个驱动传感器单体进行液位测量；

其中，当前处于驱动状态的传感器单体检测其所在位置返回的探测光的光强后，对检测到的光强对应的电压值进行模数转换，获取当前模数转换数据；

依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前传感器单体所在位置液位；

在当前传感器模块分时驱动其各个传感器单体后，将各个传感器单体对应测量的液位汇总至变送器模块进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出。

优选地，驱动当前传感器单体检测其所在位置返回的光强，并对检测到的光强对应的电压值进行模数转换的具体过程包括：

当传感器单体所处位置没有被测液体时，探测光沿传感器单体内表面进行全反射传播，返回具有强光强的探测光；

对返回强光强的探测光对应的高电压进行模数转换并输出；

随着被测液体从下往上逐渐增高，在有液体存在部位的探测光，发生折射离开单体进入被测液体；没有液体存在部位的探测光，保持全反射路径传播，返回随液位高低而强度变化的探测光；

对返回光强变化的探测光对应的电压进行模数转换并输出

当传感器单体所处位置浸满被测液体时，探测光沿传感器单体内表面进行折射传播，返回具有弱光强的探测光；

对返回弱光强的探测光对应的低电压进行模数转换并输出。

优选地，由下至上逐个驱动传感器单体进行液位测量的具体过程，还包括：

在驱动传感器单体之前，检测传感器单体所在位置的外界背景光源的光强，对检测到的外界背景光源的光强进行模数转换，得到外界背景光源的光强对应的背景电压值；

在驱动传感器单体之后，检测传感器单体上的当前光强，对检测到的当前光强所对应的电压值进行模数转换，得到当前处于驱动状态下的传感器单体进行模数转换后的当前电压值；

获取当前电压值与背景电压值的差值，作为当前处于驱动状态下的传感器单体的对应的校准电压值；

依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前传感器单体所在位置液位。

优选地，对传感器单体进行驱动方式包括恒流驱动。

优选地，当光电式连续液位测量装置存在两个或两个以上级联的传感器模块时，还包括：

通过变送器向级联的传感器模块进行供电，其中，传感器模块通过信号线进行级联，信号线包括RS485，向上级联或向下级联的握手线；

当一传感器模块的电平状态为高电平时，确定传感器模块为最底层传感器模块，并向上一层传感器模块发送其地址信息；

上一层传感器模块依据接收到的下一层传感器模块的地址信息的调整电压状态为高电压，并向上一层传感器模块发送其地址信息；

依次执行直至所有传感器模块的状态和变送器的接口电路都处于高电平状态；

由变送器模块的接口电路发送定位完成信息，完成级联的各个传感器模块的自动定位；

在进行液位测量的过程中，按照传感器模块的定位，由下至上逐个驱动各个传感器模块，由各个传感器模块分时控制其对应的传感器单体进行液位测量；

其中，当各个传感器模块测量了对应的液位后，将各个传感器模块测量的液位信息汇总至变送器接口模块前端进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出。

优选地，在重新启动新的液位测量时，还包括：

获取上一次记录的所测液体的总液位；

依据总液位确定其对应的传感器单体，传感器单体所在的传感器模块的位置，及传感器单体对应的上一次的液位；

启动并确定当前确定的传感器单体所在位置的液位；

当确定的传感器单体所在位置有部分浸没在液体中时，在总液位的基础上增减，得到当前重新启动新的液位测量后的总液位；

当明确当前液面下方的传感器单体均浸满液体，当前液面上方的传感器单体均没有液体存在时，在已知当前总液位的条件下，分别驱动明确液位状态的传感器单体，获取校准电压值，更新对应满量程或零点数据，完成在测量动态自校准；

当确定的传感器单体所在位置全部浸没在液体中时，启动上一层传感器单体或上一层传感器模块的最底层传感器单体进行液位测量，并返回执行启动并确定当前确定的传感器单体所在位置的液位这一步骤；

当确定的传感器单体所在位置没有液体时，启动下一层传感器单体或下一层传感器模块的最顶层传感器单体进行液位测量，并返回执行启动并确定当前确定的传感器单体所在位置的液位这一步骤。

一种光电式连续液位测量装置，包括：至少一个传感器模块；

传感器模块包括：

级联的多个传感器单体，用于检测各自所在位置的光强及其对应的电压值；

模数转换器，用于对传感器单体输出的电压值进行模数转换；

与级联的传感器单体连接的微处理器，用于由下至上逐个驱动级联的传感器单体进行液位测量，接收并保存各个传感器单体通过模数转换器输出的模数转换后的电压值，并依据预设的液位与模数转换后的电压值的对应关系，确定各个传感器单体所在位置的液位；以及将各传感器单体对应测量的液位汇总至变送器接口前端进行分析处理后，输出当前所测液体的总液位。

优选地，传感器单体包括：

红外光源，用于发出入射光，红外光源包括红外发光二极管；

光密材料构成的腔体，用于对红外光源发出的入射光进行传播，其中，光密材料包括具有预设数量有机色粉的塑料，或有机玻璃；

设置于腔体外侧的遮挡结构件，用于阻挡背景光源的出射光进入传感器单体内侧；

光敏器件，用于接收或感知经腔体传播后的出射光的光强，并确定光强对应的电压值；

其中，传感器单体的测量范围包括：10毫米～20毫米。

优选地，传感器模块还包括：

温度传感器，用于对红外光源和光电接收器进行温度补偿；

级联接口电路，用于自动级联定位和液位信息的传递。

优选地，当光电式连续液位测量装置存在两个或两个以上级联的传感器模块时，还包括：级联接口模块和变送器模块；

级联接口模块包括：

稳压模块，用于向变送器提供稳定的工作电压；

数字级联接口，用于链接并向变送器传递各个传感器模块所在位置的定位信息，以及各个传感器模块记录的液位信息；

变送器模块，用于向级联的传感器模块进行供电，协调各个传感器模块完成自动级联定位，控制各个传感器模块进行液位测量，及获取并分析各个传感器模块对应测量的液位，以确定当前所测液体的总液位，并根据规定的输出方式输出总液位。

经由上述技术方案可知，由于本发明提供了一种光电式连续液位测量方法和装置。通过在传感器模块的分时控制下，由下至上逐个驱动当前传感器单体检测其所在位置返回的光强，并对检测到的光强对应的电压值进行模数转换；依据预设的液位与模数转换后的电压值的对应关系，确定当前传感器单体所在位置的液位。在液位的测量完成后，通过不同模块之间的数据传输，将各传感器单体的液位汇总至变送器接口前端，经分析处理后得到当前液体的总液位，并以规定的接口形式输出。本发明采用模块式结构，可以自由组装，运输方便，提高了光电式连续液位测量装置在现场对不同量程的实用性，而且避免环境、气压、振动等因素以及液体内存在固体颗粒物质的影响，可以在较为苛刻使用环境下准确测量液位。而且可以通过清洗、擦拭等方式达到清洁的目的，维护方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一公开的一种光电式连续液位测量方法流程图；

图2为本发明实施例二公开的一种光电式连续液位测量方法流程图；

图3为本发明实施例三公开的一种自动定位的方法流程图；

图4为本发明实施例四所公开的一种光电式连续液位测量装置

图5为本发明实施例四公开的传感器单体的具体结构图；

图6为本发明实施例四公开的光密传播材料构成的腔体剖面图；

图7为本发明实施例四公开的一种传感器测量电路。

具体实施方式

本发明下述实施例公开了一种光电式连续液位测量方法及装置，可以在多种环境中利用光电原理连续准确的进行液位测量。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心思想主要是采用光电结合式的方式，由下至上逐个驱动传感器单体进行液位测量；其中，当前处于驱动状态的传感器单体检测其所在位置返回的探测光的光强后，对检测到的光强对应的电压值进行模数转换，获取当前模数转换数据；依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前传感器单体所在位置液位；在当前传感器模块分时驱动其各个传感器单体后，将各个传感器单体对应测量的液位汇总至变送器模块进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出。

通过上述进行连续的液位测量过程，可以在各种环境中利用光电原理连续准确的进行液位测量。具体通过以下实施例进行详细说明。

实施例一

基于上述核心思想，本实施例一具体公开了基于由N个传感器单体级联组成的传感器模块的光电式连续液位测量装置，所执行的光电式连续液位测量方法。其中，N大于或等于1，该方法的具体流程如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤S101，驱动位于最底层的传感器单体；

步骤S102，检测当前传感器单体所在位置的光强；

在执行步骤S102的过程中，当由下至上进行驱动时，当前传感器单体是当前处于驱动状态的传感器单体。

步骤S103，对检测到的光强所对应的电压值进行模数转换并输出；

在执行步骤S103的过程中，在驱动当前传感器单体检测其所在位置的光强的情况下，当传感器单体所处位置没有被测液体时，探测光沿传感器单体内表面进行全反射传播，返回具有强光强的探测光，强光强对应高电压。此时，对该高电压进行模数转换后并输出。

同样的，当传感器单体所处位置存在被测液体时，探测光沿传感器单体内表面进行折射传播，返回具有弱光强的探测光，弱光强对应低电压。此时，对低电压进行模数转换并输出。

步骤S104，依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前传感器单体所在位置液位；

步骤S105，在当前传感器模块分时驱动其各个传感器单体后，各个传感器单体对应测量的液位汇总至变送器模块进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出。

在执行上述步骤S101～步骤S105的过程中，为由下至上对同一传感器模块中的传感器单体进行逐一驱动，逐一执行各个传感器单体对应位置的液位测量。

在本发明所公开的该实施例一中，通过对同一传感器模块中的各个传感器单体进行由下至上的逐个驱动，不仅可以实现对其各自对应位置液位的连续测量，而且每次只驱动一个传感器单体，即在液位测量的过程中每次仅使一个传感器单体进行工作，该可以降低整个传感器模块，乃至整个光电式连续液位测量装置的能耗，达到节能的效果。

实施例二

基于上述实施例一的方法，在实际利用光电式连续液位测量装置进行测量的过程中，模数转换得到的数据里面包含了两部分光对光敏三极管的作用：一部分是红外LED光源，这是有用的信号，另一部分是外部环境的背景光源，这部分光源如果有波动，会影响测量结果，是我们需要滤除的。由此，为避免背景光源的光强对连续测量液位过程的影响。本发明该实施例二在上述实施例的基础上，基于由N个传感器单体级联组成的传感器模块的光电式连续液位测量装置，其中N为大于或等于1的正整数，还公开了一种光电式连续液位测量方法，其具体流程如图2所示，主要包括以下步骤：

步骤S201，检测传感器单体所在位置的外界背景光源的光强；

步骤S202，对检测到的外界背景光源的光强进行模数转换，得到外界背景光源的光强对应的背景电压值；

步骤S203，驱动步骤S201中的传感器单体；

步骤S204，检测传感器单体上的当前光强；

步骤S205，对检测到的当前光强所对应的电压值进行模数转换，得到当前处于驱动状态下的传感器单体进行模数转换后的当前电压值；

步骤S206，获取当前电压值与背景电压值的差值，作为当前处于驱动状态下的传感器单体的对应的校准电压值；

步骤S207，依据校准电压值，及预设液位与电压值的对应关系，确定当前传感器单体所在位置液位；

步骤S208，停止当前传感器单体，返回执行步骤S201，直至驱动该传感器模块中的第N个传感器单体进行液位检测；

步骤S209，将N个传感器单体中对应测量的液位汇总至变送器接口前端进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出。

在执行上述步骤S201～步骤S209的过程中，步骤S203至步骤S205与上述本发明实施例一中公开的步骤S101至步骤S103具体执行过程基本一致，可相互参照，这里不再进行赘述。

通过本发明所公开的该实施例二，在对同一传感器模块中的各个传感器单体进行由下至上的逐个驱动之前，先对各个传感器单体进行一次对应背光光源光强的检测，确定背景光源光强对应的背景电压值并对其进行模数转换，在驱动传感器单体后，获取传感器单体测量到的光强及其对应的当前电压值进行模数转换后的当前电压值，计算该模数转换后的当前电压值与背景电压值的差值，实现对传感器单体接收到的光强对应电压值的校准，从而实现在对液位进行连续测量的同时，消除了各自传感器单体对应的背景光源对其进行液位测量的影响。

实施例三

基于上述实施例的方法，在实际使用过程中，现场要进行液位测量的承载体高度大概在30厘米至200厘米之间，其高度并不确定。所采用的传感器模块无法在出厂时就按量程组装好，并且组装成量程为200厘米的传感器模块也不方便运输。

由此，当所需要测量液位的量程较大时，可以采用级联多个传感器模块进行连续液位测量。当光电式连续液位测量装置存在两个或两个以上级联的传感器模块时，对于在组装传感器模块的过程中，本发明该实施例公开了一种自动定位的方法，其流程如图3所示，主要包括以下步骤：

步骤S301，通过变送器向级联的传感器模块进行供电，其中，传感器模块通过信号线进行级联，信号线包括RS485，向上级联或向下级联的握手线；

步骤S302，当一传感器模块的电平状态为高电平时，确定传感器模块为最底层传感器模块，并向上一层传感器模块发送其地址信息；

步骤S303，上一层传感器模块依据接收到的下一层传感器模块的地址信息的调整电压状态为高电压，并向上一层传感器模块发送其地址信息；

步骤S304，依次执行直至所有传感器模块的状态和变送器的接口电路都处于高电平状态；

步骤S305，由变送器模块的接口电路发送定位完成信息，完成级联的各个传感器模块的自动定位。

在执行上述步骤S301至步骤S305的过程中，确定由两个或两个以上级联的传感器模块在构成的光电式连续液位测量装置中的位置。

基于上述本发明公开的实施例，在进行液位测量的过程中，按照传感器模块的定位，由下至上逐个驱动各个传感器模块，由各传感器模块分时控制其对应的传感器单体进行液位测量。

其中，当各个传感器模块测量了对应的液位后，将各个传感器模块测量的液位信息汇总至变送器接口模块前端进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出。

由此，本发明实施例提供的传感器模块可以在使用现场自由组装，并且具有自动级联功能，不需要再进行特别的调试设定。

需要说明的是模块化、分段测量的设计还使传感器具有了动态自校准功能。在实际使用中，被测液体的液面落在众多单体中的某一个上面，其它单体的状态要么显示有液体存在，要么显示没有液体存在。这样，对于传感器来说，没有液体存在的单体，其光电接收器的输出值就是当前单体所处环境状态(包括表面沾污、传感器漂移)的液位零点电压值；而有液体存在的单体，其光电接收器的输出值就是当前单体所处环境状态(包括表面沾污、传感器漂移、被测液体的光学特性)的液位满量程电压值。因此，我们可以根据液位的变动情况，在工作过程中，随时动态校准，从而提高传感器测量的准确度。

动态自校准功能提高了传感器抗污染、抗漂移的能力，使之测量更加稳定可靠。同时，对于折射率、透明度等不同的液体，传感器也能表现出很强的的适应性。由于模块化、分段测量，精度只由被测液面所在的单体决定，而通过动态自校准功能，可进一步提高单体的测量精度。

另外，需要说明的是，在上述本发明各个实施例中，对传感器单体的驱动方式一般采用为恒流驱动。

在当由下至上逐个驱动传感器单体进行液位测量的过程中进行温度补偿时，对传感器单体的驱动方式为恒流驱动或恒压驱动。

其中，恒流源作为驱动能使传感器单体检测到的光强稳定，在具有温度补偿时，也可是检测到的光强稳定，因此有温度补偿时，对传感器单体的驱动方式为恒流驱动或恒压驱动。

需要说明的是，在重新启动新的液位测量时，传感器单体能够快速进行测量，同时还具有动态自校准功能。具体的，具有动态自校准的快速测量的具体执行过程包括：

首先，获取上一次记录的所测液体的总液位。

其次，依据总液位确定其对应的传感器单体，传感器单体所在的传感器模块的位置，及传感器单体对应的上一次的液位。

其次，启动并确定当前确定的传感器单体所在位置的液位；

在进行测量的过程中，传感器单体所在位置存在有部分浸没在液体中、全部浸没在液体中和全部没有浸没在液体中三种情况；

当确定的传感器单体所在位置有部分浸没在液体中时，在总液位的基础上增减，得到当前重新启动新的液位测量后的总液位。

当明确当前液面下方的传感器单体均浸满液体，所述当前液面上方的传感器单体均没有液体存在时，在已知当前总液位的条件下，分别驱动明确液位状态的所述传感器单体，获取校准电压值，更新对应满量程或零点数据，完成在测量动态自校准。

也就是说，在已知当前总液位的条件下，即明确所述当前液面下方的传感器单体均浸满液体，所述当前液面上方的传感器单体均没有液体存在。可分别驱动这些所述明确了液位状态的传感器单体，通过上述实施例二中获取校准电压值的执行方式获取该校准电压值，依据该校准电压值更新对应满量程或零点数据，完成在测量动态自校准。

当确定的传感器单体所在位置全部浸没在液体中时，启动上一层传感器单体或上一层传感器模块的最底层传感器单体进行液位测量，并返回执行启动并确定当前确定的传感器单体所在位置的液位这一步骤。

当确定的传感器单体所在位置没有液体时，启动下一层传感器单体或下一层传感器模块的最顶层传感器单体进行液位测量，并返回执行启动并确定当前确定的传感器单体所在位置的液位这一步骤。

由此，依据本实施例中的传感器单体所在位置检测到的光强与液位的对应关系，判断传感器单体处于三种情况中的何种情况，并输出对应的液位值。

通过上述动态自校准的过程，在下一次测量液位时，可以直接驱动上一次测量液位时输出高电压的传感器单体附近的若干个传感器单体，能够减少二次或多次测量过程中重复启动传感器单体和或传感器模块的个数，从而可以实现快速测量液位、降低系统功耗，以及桶盖该动态自校准的过程还能够提高传感器单体抗污染、抗漂移的能力，使其对测量液位更加稳定可靠。同时，对折射率、透明程度等不同的液体，传感器单体也能表现出很强的适应性。

实施例四

上述本发明公开的实施例中详细描述了一种光电式连续液位测量方法，对于本发明的方法可以采用多种形式的装置实现，因此本发明还公开了一种光电式连续液位测量装置。

如图4所示，为本发明该实施例四所公开的一种光电式连续液位测量装置，主要包括至少一个传感器模块103。

该传感器模块103包括：级联的多个传感器单体101、模数转换器(图中未示出)和微处理器(图中未示出)。

该级联的多个传感器单体101主要用于检测各自所在位置的光强及其对应的电压值；

模数转换器则用于对传感器单体101输出的电压值进行模数转换；

该微处理器与级联的传感器单体101、模数转换器连接，主要用于由下至上逐个驱动级联的传感器单体101进行液位测量，接收并保存各个传感器单体101通过模数转换器输出的模数转换后的电压值，并依据预设的液位与模数转换后的电压值的对应关系，确定各个传感器单体101所在位置的液位；以及将各传感器单体101对应测量的液位汇总至变送器接口模块102前端进行分析处理后，输出当前所测液体的总液位。

在本发明实施例中，首先利用光电式原理制成一个测量范围为10～20mm的传感器单体101，然后再将每10个传感器单体101串联起来做成一个传感器模块103，最后根据量程的需要将模块组合起来，并配以相应的变送器接口102。

基于上述本发明实施例四所公开的传感器模块，在实际使用过程中，由多个传感器模块串联组成的光电式连续液位测量装置，可以满足不同形状、大小的容器对测量液位的需要。各个传感器单体101通过灌胶密封成一个整体。各个传感器模块103之间通过螺钉、螺母或锁紧件连接。在具体实施过程中，连接方式有很多种，此处不进行详细说明。

需要说明的是，在上述本发明实施例四所公开的传感器模块中包括的传感器单体的具体结构如图5所示，主要包括以下部件：

红外光源1011，用于发出入射光。该红外光源1011主要为红外发光二极管。

在传感器单体测量液位时，红外发光二极管是断续工作的，放在整个模块的工作时序内，一个红外发光二极管的非工作时间会更长，这样的工作方式还同时降低了传感器模块的功耗。

光密材料构成的腔体1012，用于对红外光源发出的入射光进行传播，光密材料包括具有预设数量有机色粉的塑料，或有机玻璃。

例如，聚碳酸酯。

设置于腔体外侧的遮挡结构件1013，用于阻挡背景光源的出射光进入传感器单体内侧。光敏器件1013，用于接收或感知经腔体传播后的出射光的光强，并确定光强对应的电压值。上述公开的遮挡结构件1013通常采用黑色不透明材料制成，同时也防止出射光通过其他途径返回光电接收器。而且，遮挡结构件1013对光源1011、光敏器件1013和印刷电路板(图中未示出)等装置起到了定位和固定的作用。

具体的，基于上述传感器单体中的各个部件进行液位测量时，光密材料构成的腔体对红外光源发出的入射光进行传播。当入射光从光密介质射向光疏介质时，当入射角∠i超过一定角度时，发生全反射现象，光沿既定路线返回，传感器单体能够检测到与入射光光强基本一致的强光强，对强光强进行模数转换输出对应的高电压值。

需要说明的是，在上述过程中，光疏介质变为光密介质，则不会发生反射，而发生光的折射现象，传感单体能够检测到得光强大大低于入射光光强，对弱光强进行模数转换输出对应的低电压值。

这种光只与入射光的初始强度和光在光密介质中的传播分布有关，而与液体的温度、压力等因素无关。

另外，光密材料构成的腔体，外径20mm，内径13.6mm。内径与外径的尺寸可根据实际使用需要设计。

需要说明的是，光密传播材料构成的腔体在实际使用过程中具有如下优点：

其一、阻止入射光没有经过腔壁直接通过光密传播材料内部直接到达光电接收器；

其二、光滑的腔体内壁有助于将反射过来的光线再反射回去，使之继续沿着外管壁传播。

需要说明的是，由红外光源所发出的光是呈散射状传播的，如果不调整光的传播方向，经过反射后光线不能汇聚到光电接收器。而我们希望返回到光电接收器的光与液位的变化成线性对应关系，这样得到的信号分辨率才最高。因此，在光路的设计方面，应力求使光线沿传播曲面成均匀的平行的路径传播，并在返回时通过凸透镜汇聚到光电接收器。

另一方面，在实际使用过程中，由于传感器单体的体积较小，不能利用过多的光学透镜调整入射光。为了使入射光为平行光，如图6中示出的光密传播材料构成的腔体，将其A、B两个平面设计成凸透镜。其中，A面接收光源发出的入射光，B面传导出出射光。

在本发明所公开的该实施例中，传感器单体的测量范围一般为：10毫米～20毫米，但不仅限于此。

光敏器件1014主要为光敏三极管。

红外光源1011主要为红外发光二极管光源，其发出的入射光的角度∠i大于39.1°，小于57.17°。

需要说明的是，由聚碳酸酯构成的腔体中盛放的光疏介质为空气时，聚碳酸酯和空气相对的折射率是1.586，临界角为∠C1≈39.1°。当入射角∠i大于39.1°，入射光在聚碳酸酯中发生全反射，在管状腔体的另一侧射出反射光。

由聚碳酸酯构成的腔体中盛放的光疏介质为水时，聚碳酸酯和水的相对折射率是1.333，临界角为∠C2≈57.17°。当入射角∠i小于57.17°，入射光在聚碳酸酯和水的临界出发生折射，在管状腔体的另一侧没有光射出。

所以，当入射角∠i大于39.1°，小于57.17°时，光疏介质为空气时，可以在管状腔体的另一侧射出反射光；光疏介质为水时，管状腔体另一侧没有光射出。

综上，在当入射角∠i大于39.1°，小于57.17°时，在有水存在的腔体内发生折射，位于腔体一端的光电接收器未接收到光；在有空气存在的腔体内发生全反射，位于腔体另一端的光电接收器未接收到出射光。

每个传感器单体内含有一对红外发射和接收器件。测量时，传感器单体独立工作，互无影响。这样的分段测量，保证了传感器具有较高的测量精度，其测量误差小于1mm。

在实际使用过程中，稳定的光强影响测量液位的精度，为了是红外发光二极管发出的红外光的光强不随温度的变化而变化。传感器模块还包括：温度传感器，用于对红外光源和光电接收器进行温度补偿。

如图7所示，本发明还公开了一种传感器测量电路。光源模块201、光电接收器模块202和热敏电阻模块203分别连接微处理器模块204。

光源模块201包括：光源D1至D10、电源VCC。

光电接收器模块202包括：光敏三极管Q1至Q10、电源VCC，和转换电阻R1至R10。转换电阻R1和R10采集回路上的电流反馈给微处理器模块，使得输出电流与转换电阻成线性关系。

热敏电阻模块203包括：电源VCC、热敏电阻R11和转换电阻R12。

微处理器模块204由PIC 16F1782MCU(Micro Control Unit，微处理器单元)组成。

针对上述本发明所公开的装置，为了进一步的提高测量的精度，当我们测量某一单体液位的时候，在点亮红外发光二级管之前，先进行一次模数转换，即得到的是只有外部环境背景光源的数据，然后重复原测量过程，再将两次转换的数据相减，剩下的就只有红外发光二级管LED光源返回的有用信号了，从而消除了背景光源的影响。这样，在进行单体测量时，红外发光二级管LED是断续工作的，放在整个模块的工作时序内，单个传感器单体红外发光二级管LED的非工作时间会更长，这样的工作方式还同时降低了模块的功耗。

实施例五

当所需要测量液位的量程较大时，可以级联多个传感器模块进行连续液位测量。传感器模块还包括：级联接口电路，用于自动级联定位和液位信息的传递。

模块之间的数据通讯主要通过RS485进行，级联定位通过一根单独的控制线来完成，即下部的Ldown和上部的Lup，加上2根电源线，每个接口有5位端子。级联组合时，每个模块的Ldown与其下面模块的Lup相连，最下面模块的Ldown悬空。

通过上述的五位端子连接传感器模块，可以实现传感器模块自动级联定位和传递液位信息。

当光电式连续液位测量装置存在两个或两个以上级联的传感器模块时，还包括：变送器及其对应的接口电路；

变送器模块，用于向级联的传感器模块进行供电，协调各个传感器模块完成自动级联定位，控制各个传感器模块进行液位测量，及获取并分析各个传感器模块对应测量的液位，以确定当前所测液体的总液位，并根据规定的输出方式输出总液位。；

级联接口模块包括：

稳压模块，用于向变送器提供稳定的工作电压；

数字级联接口，用于链接并向变送器传递各个传感器模块所在位置的定位信息，以及各个传感器模块记录的液位信息。

大部分光电式连续液位测量装置需要到现场进行安装调试。现场的油箱高度从30厘米到200厘米，并不确定，无法在出厂时就按量程组装好，并且如果组装成200厘米的变送器也不方便运输。本发明一种电式连续液位测量装置的采用模块结构，可以在现场自由组装，并且具有自动级联定位功能，不需要特别的调试设定。

基于上述本发明实施例三公开的自动定位的方法，基于该变送器接口与传感器单体所组成的系统进行自动级联定位的实际过程如下所示：

首先，变送器上电时，所有模块的Lup都输出低电平，则与其相连的Ldown都被拉低，只有最下面模块的Ldown为高电平，该模块知道了自己是最底层的；

其次，最底层模块通过RS485告诉所有模块：已经找到最底层模块，现在启动级联定位；

再次，最底层模块发出地址信息，同时释放自己的Lup，告知其上一级模块；

然后，上一级模块根据自己的Ldown状态，也发出地址信息，同时释放自己的Lup；

然后，重复这样的过程，直到变送器接口电路的Ldown也变成高电平为止。

最终，变送器接口电路发出定位完成信息，完成自动定位。

接口方式可以根据用户的需要灵活设置，可以是模拟量的4～20mA、0～5V、0～10V，也可以是数字量的RS485、MODBUS等。

实施例六

结合上述本发明上述公开的实施例一至实施例五中的方法和装置，本发明还公开了在进行二次测量或重复测量的过程中，实现动态自校准。具体为：

在下一次启动传感器模块对液位进行可以根据上一次记录的液位情况启动具体的若干个模块，实现对液位直接测量。

以本发明上述实施例中公开一个传感器模块构成的光电式连续液位测量装置进行测量液位的过程进行说明，若该传感器模块由10个传感器单体级联构成，当上次测量得到的液位处于第5个传感器单体处，在下一次测量时可以直接测量第5个传感器单体附近(通常指上下浮动)的若干个传感器单体处，确定液位。下面给出具体实施过程：

检测第4个传感器单体所在位置的光强，对检测到的光强进行模数转换，当输出的第四电压值为低电压时，依据预设的电压值与液位的对应关系，输出并保存第四电压值对应的第四液位；

停止驱动第4个传感器单体，并驱动第5个传感器单体进行光强检测，检测第5个传感器单体所在位置的光强，对检测到的光强进行模数转换，当输出的第五电压值在低电压与高电压之间时，依据预设的电压值与液位的对应关系，输出并保存第五电压值对应的第五液位；

停止驱动第5个传感器单体，并驱动第6个传感器单体进行光强检测，第6个传感器单体测量其所在位置光强时，对应输出的第六电压值为高电压时，获取前述第5个传感器单体对应的液位和第5个传感器单体所在位置的信息，综合以上信息确定当前传感器模块进行液位测量的总液位并输出。

由此，可以确定液位仍处于第5个传感器单体处。

在本发明所公开的该实施例中，可以跳过驱动第1个传感器单体至第3个传感器单体，可以降低整个传感器模块的能耗，而且可以提高传感器模块工作效率。

同样的，针对由多个传感器模块级联构成的光电式连续液位测量装置，也可以采用上述方式，并进行先确定总液位、再按确定的传感器单体所在位置的液位状态进行动态自校准。

在本发明各个实施例中，探测光即为入射光。

综上：

通过上述本发明提供了一种光电式连续液位测量方法和装置。采用模块式结构，根据量程的需要自由组装和定位，可以在任何情况下准确测量液位，提高了对不同量程的适用性，且方便运输。而且，还具有实时自校准功能，提高了抗污染和抗漂移的能力。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种光电式连续液位测量方法，其特征在于，应用于包括至少一个由多个传感器单体级联组成的传感器模块的光电式连续液位测量装置，包括：

由下至上逐个驱动所述传感器单体进行液位测量，其中，传感器单体包括：发出入射光的红外光源，红外光源包括红外发光二极管；光密材料构成的腔体，用于对所述红外光源发出的入射光进行传播，其中，所述光密材料包括具有预设数量有机色粉的塑料；设置于腔体外侧的遮挡结构件，用于阻挡背景光源的出射光进入所述传感器单体内侧；用于接收或感知经所述腔体传播后的出射光光强，并确定光强对应的电压值的光敏器件，其中，传感器单体的测量范围包括：10毫米～20毫米；

其中，当前处于驱动状态的所述传感器单体检测其所在位置返回的探测光的光强后，对检测到的光强对应的电压值进行模数转换，获取当前模数转换数据；

依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前所述传感器单体所在位置液位；

在当前所述传感器模块分时驱动其各个所述传感器单体后，将各个所述传感器单体对应测量的液位汇总至变送器模块进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出；

其中，驱动当前传感器单体检测其所在位置返回的光强，并对检测到的光强对应的电压值进行模数转换的具体过程包括：

当所述传感器单体所处位置没有被测液体时，探测光沿所述传感器单体内表面进行全反射传播，返回具有强光强的探测光；

对返回强光强的所述探测光对应的高电压进行模数转换并输出；

随着被测液体从下往上逐渐增高，在有液体存在部位的所述探测光，发生折射离开所述传感器单体进入被测液体；没有液体存在部位的所述探测光，保持全反射路径传播，返回随液位高低而强度变化的探测光；

对返回光强变化的所述探测光对应的电压进行模数转换并输出；

当所述传感器单体所处位置浸满被测液体时，所述探测光沿所述传感器单体内表面进行折射传播，返回具有弱光强的探测光；

对返回弱光强的所述探测光对应的低电压进行模数转换并输出；

其中，由下至上逐个驱动所述传感器单体进行液位测量的具体过程，还包括：

在驱动所述传感器单体之前，检测所述传感器单体所在位置的外界背景光源的光强，对检测到的所述外界背景光源的光强进行模数转换，得到所述外界背景光源的光强对应的背景电压值；

在驱动所述传感器单体之后，检测所述传感器单体上的当前光强，对检测到的当前光强所对应的电压值进行模数转换，得到当前处于驱动状态下的所述传感器单体进行模数转换后的当前电压值；

获取所述当前电压值与背景电压值的差值，作为当前处于驱动状态下的所述传感器单体的对应的校准电压值；

依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前所述传感器单体所在位置液位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述传感器单体进行驱动方式包括恒流驱动。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述光电式连续液位测量装置存在两个或两个以上级联的所述传感器模块时，还包括：

通过所述变送器模块向级联的所述传感器模块进行供电，其中，所述传感器模块通过信号线进行级联，所述信号线包括RS485，向上级联或向下级联的握手线；

当一所述传感器模块的电平状态为高电平时，确定所述传感器模块为最底层传感器模块，并向上一层所述传感器模块发送其地址信息；

所述上一层所述传感器模块依据接收到的下一层所述传感器模块的地址信息的调整电压状态为高电压，并向上一层所述传感器模块发送其地址信息；

依次执行直至所有所述传感器模块的状态和变送器的接口电路都处于高电平状态；

由所述变送器模块的接口电路发送定位完成信息，完成级联的各个所述传感器模块的自动定位；

在进行液位测量的过程中，按照所述传感器模块的定位，由下至上逐个驱动各个所述传感器模块，由各个所述传感器模块分时控制其对应的传感器单体进行液位测量；

其中，当各个所述传感器模块测量了对应的液位后，将各个所述传感器模块测量的液位信息汇总至变送器接口模块前端进行分析处理，得到当前所测液体的总液位，并以规定的接口形式输出。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，在重新启动新的液位测量时，还包括：

获取上一次记录的所测液体的总液位；

依据所述总液位确定其对应的所述传感器单体，所述传感器单体所在的传感器模块的位置，及所述传感器单体对应的上一次的液位；

启动并确定当前确定的所述传感器单体所在位置的液位；

当确定的所述传感器单体所在位置有部分浸没在液体中时，在所述总液位的基础上增减，得到当前重新启动新的液位测量后的总液位；

当明确当前液面下方的传感器单体均浸满液体，所述当前液面上方的传感器单体均没有液体存在时，在已知当前总液位的条件下，分别驱动明确液位状态的所述传感器单体，获取校准电压值，更新对应满量程或零点数据，完成在测量动态自校准；

当确定的所述传感器单体所在位置全部浸没在液体中时，启动上一层传感器单体或上一层传感器模块的最底层传感器单体进行液位测量，并返回执行启动并确定当前确定的所述传感器单体所在位置的液位这一步骤；

当确定的所述传感器单体所在位置没有液体时，启动下一层传感器单体或下一层传感器模块的最顶层传感器单体进行液位测量，并返回执行启动并确定当前确定的所述传感器单体所在位置的液位这一步骤。

5.一种光电式连续液位测量装置，其特征在于，包括：至少一个传感器模块；

所述传感器模块包括：

级联的多个传感器单体，用于检测各自所在位置的光强及其对应的电压值；

模数转换器，用于对所述传感器单体输出的电压值进行模数转换；

其中，传感器单体所处位置没有被测液体，探测光沿所述传感器单体内表面进行全反射传播，返回具有强光强的探测光，对返回强光强的所述探测光对应的高电压进行模数转换并输出，随着被测液体从下往上逐渐增高，在有液体存在部位的所述探测光，发生折射离开所述传感器单体进入被测液体，没有液体存在部位的所述探测光，保持全反射路径传播，返回随液位高低而强度变化的探测光，对返回光强变化的所述探测光对应的电压进行模数转换并输出；传感器单体所处位置浸满被测液体，所述探测光沿所述传感器单体表面进行折射传播，返回具有弱光强的探测光，对返回弱光强的所述探测光对应的低电压进行模数转换并输出；

与级联的传感器单体连接的微处理器，用于由下至上逐个驱动级联的所述传感器单体进行液位测量，接收并保存各个所述传感器单体通过模数转换器输出的模数转换后的电压值，并依据预设的液位与模数转换后的电压值的对应关系，确定各个传感器单体所在位置的液位；以及将各传感器单体对应测量的液位汇总至变送器接口前端进行分析处理后，输出当前所测液体的总液位；

其中，微处理器由下至上逐个驱动级联的所述传感器单体进行液位测量具体包括：

在驱动所述传感器单体之前，检测所述传感器单体所在位置的外界背景光源的光强，对检测到的所述外界背景光源的光强进行模数转换，得到所述外界背景光源的光强对应的背景电压值，在驱动所述传感器单体之后，检测所述传感器单体上的当前光强，对检测到的当前光强所对应的电压值进行模数转换，得到当前处于驱动状态下的所述传感器单体进行模数转换后的当前电压值，获取所述当前电压值与背景电压值的差值，作为当前处于驱动状态下的所述传感器单体的对应的校准电压值，依据预设的液位与模数转换数据的对应关系，确定当前所述传感器单体所在位置液位；

其中，所述传感器单体包括：

红外光源，用于发出入射光，所述红外光源包括红外发光二极管；

光密材料构成的腔体，用于对所述红外光源发出的所述入射光进行传播，其中，所述光密材料包括具有预设数量有机色粉的塑料；

设置于所述腔体外侧的遮挡结构件，用于阻挡背景光源的出射光进入所述传感器单体内侧；

光敏器件，用于接收或感知经所述腔体传播后的出射光的光强，并确定光强对应的电压值；

其中，所述传感器单体的测量范围包括：10毫米～20毫米。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器模块还包括：

温度传感器，用于对所述红外光源和所述光敏器件进行温度补偿；

级联接口电路，用于自动级联定位和液位信息的传递。

7.根据权利要求5～6中任意一项所述的装置，其特征在于，当所述光电式连续液位测量装置存在两个或两个以上级联的所述传感器模块时，还包括：级联接口模块和变送器模块；

所述级联接口模块包括：

稳压模块，用于向所述变送器提供稳定的工作电压；

数字级联接口，用于链接并向所述变送器传递各个传感器模块所在位置的定位信息，以及各个所述传感器模块记录的液位信息；

所述变送器模块，用于向级联的所述传感器模块进行供电，协调各个所述传感器模块完成自动级联定位，控制各个所述传感器模块进行液位测量，及获取并分析各个所述传感器模块对应测量的液位，以确定当前所测液体的总液位，并根据规定的输出方式输出总液位。

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