CN106404113B - 一种液位跟踪装置 - Google Patents

Abstract

一种液位跟踪装置，其至少包括控制系统、液位传感器和注射针，其特征在于，还包括电容极板，所述注射针上连接有第一导线，所述第一导线连接于液位传感器的信号输入端；所述电容极板连接于第二导线，所述第二导线连接于液位传感器的公共端，液位传感器用于给控制系统提供容器内的液位信号。本发明提供的液位跟踪装置能够精确地确定容器内的溶液高度。

Description

一种液位跟踪装置

技术领域

发明涉及一种液位跟踪装置，尤其涉及一种能够精确计算液面高度的液位跟踪装置。

背景技术

现有技术中，用于机械臂式固相萃取仪上的液位跟踪系统装置，只能跟踪液位，不能精确计算出液面的高度。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺点，本发明的发明内容是提供一种液位跟踪装置，其能够精确积容器内的液面。

为实现所述发明目的，本发明提供一种液位跟踪装置，其至少包括控制系统、液位传感器和注射针，其特征在于，还包括电容极板，所述注射针上连接有第一导线，所述第一导线连接于液位传感器的信号输入端；所述电容极板连接于第二导线，所述第二导线连接于液位传感器的公共端，液位传感器用于给控制系统提供容器内的液位信号。

优选地，液位跟踪装置还包括三轴机械臂，所述三轴机械臂包括垂直于地而的Z臂，设置在前后方向的Y臂；设置在左右方向的X臂，Z臂上设置有丝杆，丝杆上设置有滑块，滑块在第一电机的驱动下在丝杆上移动。

优选地，液位跟踪装置还包括第二电机，第二电机能够驱动Z臂沿Y臂前后移动。

优选地，液位跟踪装置还包括第三电机，第三电机能够驱动Y臂沿X臂左右移动。

优选地，液位跟踪装置还包括注射泵，注射泵的活塞由第四电机驱动运动。

优选地，所述注射泵与注射针之间的定量储液管的长度根据设计值确定。

优选地，控制系统根据液位传感器提供的容器内的液位信息控制第一、第二、第三和第四电机的工作状态。

与现有技术相比，本发明提供的液位跟踪装置能够精确地跟踪液面，并计算容器内的液体体积。

附图说明

图1是本发明提供的液位跟踪装置的组成示意图；

图2是本发明提供的液位跟踪装置的控制系统的组成电路图；

图3是本发明提供的液位跟踪原理的示意图；

图4是本发明提供的液位跟踪装置的控制系统的控制过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明提供的液位跟踪装置的组成示意图，如图1所示，本发明提供的液位跟踪装置能够自动跟踪待抽取的容器内的液面，其包括控制系统和三轴机械臂，所述三轴机械臂包括相互垂直的X臂（X轴）、Y臂（Y轴）、和Z臂（Z轴）（图中未示）， Z臂为垂直于地面的臂，其在电机M3驱动下能够沿Y臂前后移动；Y臂能够在电机M4驱动下沿X臂左右移动。Z臂上沿垂直轴向设置有丝杆9，所述丝杆上设置有滑块15，所述滑块15在电机M2的驱动下沿丝杆15自欺欺人垂直上下移动。液位跟踪装置还包括液位传感器12，本发明中优选电容传感器作为液位传感器12，其用于测量容器内的液体液面高度，本发明优选容器为试管，本发明中，在支架（图中未示）上呈矩阵状设置N*M个试管或SPE柱，N和M均大于或者等于2，如沿X方向设置的试管16、试管17、试管18和SPE柱19，每个试管用于存贮不同的溶液。液位跟踪装置还包括注射针8，其用于从试管中抽取所设计量的溶液并注射到SPE柱中，如SPE柱19中。液位跟踪装置还包括注射泵1，所述注射泵1通过管路与注射针8相连。注射泵1包括空筒、活塞和推拉杆，空筒优选为圆柱筒，空筒的第一端连接管路，另一端开口，活塞置于管体内，活塞连接于推拉杆，当推拉杆带动活塞移动到空筒底部时，储液管3内的液体从注射针内排出，当推拉杆带动活塞移动到空筒顶部时，注射针从试管内抽入溶液到储液管3内。推拉杆的运行由电机M1驱动。

本发明中，液位传感器12的一个信号引出线13连接于注射针8，液位传感器12的公共端连接于电容极板14，所述电容极板14设置在试管下，如此，注射针8和电容极板14形成一个电容，当注射针8向下移动，当接触到液面时，其电容值发生变化，从而能够测量容器内的液面高度，通常情况下，容器的直径或者横向截面是已知的，根据直径或者横向截面和液面高度可以计算出容器内的溶液的体积，截面积与液面高度相乘就得溶液体积。

注射针和注射泵之间的定量储液管3处设置有压力传感器4，其用于测量定量储液管3内液体的压力并将压力信号转换成电信号而后传送给控制系统。

注射针8和注射泵1之间的管路中还设置有第一电磁换向阀2、第二电磁换向阀5和第三电磁换向阀6，其中，第一电磁换向阀2的第一端口连接于注射泵，第二端口连接于水罐或者酒精罐，第三端口经管路连接于第二电磁换向阀的第一端口。第一电磁换向阀2在控制系统提供的控制信号S2的作用下，可以使第一端口和第二端口连通，以从水罐或酒精罐中抽取水或酒精，当需要对管路、注射针、换向阀进行清洗时，注射泵1从水罐或者酒精罐抽取水或酒精。第一电磁换向阀2在控制系统提供的控制信号S2的作用下还可使第一端口和第三端口连通，以从容器中抽取溶液或者注放到SPE柱中。第二电磁换向阀5的第一端口经管路连接于第一电磁换向阀2的第三端口，第二端口连接于氮气罐，第三端口通过管路连通于第三电磁阀6的第一端口，第二电磁换向阀5在控制系统提供的控制信号S3的作用下，可以使第一端口和第二端口连通，以从氮气罐中注入氮气。第二电磁换向阀5在控制系统提供的控制信号S3的作用下还可使第一端口和第三端口连通，以使管路与注射针连通。第三电磁换向阀6的第二端口连接于外界，第三端口经储液管3连通于注射针8，第三电磁换向阀6在控制系统提供的控制信号S4的作用下，可以使第一端口和第二端口连通以从外界吸入空气。第三电磁换向阀6在控制系统提供的控制信号S4的作用下，可以使第一端口和第三端口连通以使管路与注射针连通。

本发明中，注射针优选依次由轴向相连接的具有第一外直径和第一内径的第一钢管81和具有第二外径和第二内径的第二钢管82，第一外径比第二外径大，从而在相连接处形成台阶，第二外径略小于第一内径，便于将第二钢管的第一端插入到第一钢管的第二端，在台阶处设置有密封圈83。第一钢管的第一端设置有第一加强套管84，第一套管84连接有连接装置85，连接装置85用于将注射针连接于滑块15上。第二钢管81的第二端形成斜面以形成针尖，便于插入到固相萃柱的密封塞的通孔中。第一钢管82利用高强度钢制备，第二钢管利用高韧性白钢制备，且使第一钢管的外径比第一钢管的外径大，如此，使注射针兼具高强度和高韧性，从而防止注射针折断。

本发明中，固相萃取柱（SPE）19包括瓶体191和用于密封瓶体的瓶口的密封塞192，密封塞中央沿轴向设置有通孔，所述瓶体下端设置有收液口193，瓶口处设置有凸环。当注射针扎入密封塞中的通孔时，由当注射针的台阶抵住密封盖，注射针上的密封圈83正好能卡在密封盖通孔中，从而使密封圈83发生挤压起到完全密封的作用。

图3是本发明提供的液位跟踪装置的控制系统的组成电路图，如图3所示，本发明提供的控制系统包括：控制器、多路复用器28、放大器、A/D转换器29、隔离器、用于驱动第一电磁换向阀2的第一驱动器，用于驱动第驱动第二电磁换向阀5的第二驱动器和用于驱动第三电磁换向阀6的第三驱动器。

液位传感器12用于跟踪容器内的液位高度信息，并将液位高度信息转换为电信息，而后提供给多路复用器28。压力传感器4用于测量储液管3内的液体的压力，并将液体的压力转换为电信息，而后提供给多路复用器28。多路复用器根据处理器提供的信号使某个传感器与多路复用器的输出端相连，多路复用器的输出端连接到比例放大器，比例放大器用于对某一传感器提供的信号进行放大。示例性的，比例放大器包括：运算放大器OP1、电阻R5、电阻R6和电阻R4，多路复用器的输出端经电阻R5连接于运算放大器OP1的反相端，运算放大器OP1的输出端经电阻R6连接于其反相输入端；运算放大器OP1的同相端经电阻R4连接于地。运算放大器OP1的输出端经A/D转换器21连接于反相器OP2的输入端，反相器OP2的输出端连接于处理器的一个输入端，A/D转换器用于将比例放大器提供的模拟信号转换为数字信号，OP2用于对A/D转换器21提供的信号进行反相，并进行隔离。

第一驱动器用于给电磁换向阀2提供驱动信号，示例性地，第一驱动器包括晶体管TR1、电阻R1和二级管D1，其中，晶体管TR1的基极TR1经电阻R1连接于控制器，发射极接地，集电极接二极管D1的正极。二极管D1的负极接电源，二极管D1的两端与继电器J1的线包相并联。继电器J1的常开触点的一端接AC220V的电源的第一端，另一端接电磁换向阀2的一个端子，电磁换向阀2的另一个端子接AC220V的电源的第二端。当需要电磁换向阀2换向时，处理器给晶体管TR1的基极提供一个高电位信号，晶体管导通，与其集电极相连的继电器J1的线包有电流通过，其常开触点闭合，电磁换向阀2接通AC220V电源而换向；当不需要电磁换向阀2换向时，处理器给晶体管TR1的基极提供一低电位信号，晶体管截止，与其集电极相连的继电器J1的线包没有电流通过，其常开触点断开，电磁换向阀2与AC220V电源断开。

第二驱动器用于给电磁换向阀5提供驱动信号，示例性地，第二驱动器包括晶体管TR2、电阻R2和二级管D2，其中晶体管的基极TR2经电阻R2连接于控制器，发射极接地，集电极接二极管D2的正极。二极管D2的负极接电源，二极管D2的两端与继电器J2的线包相并联。继电器J2的常开触点的一端接AC220V的电源的第一端，另一端接电磁换向阀5的一个端子，电磁换向阀5的另一个端子连接AC220V的电源的第二端。当需要电磁换向阀5换向时，处理器给晶体管TR2的基极提供一个高电位信号，晶体管TR2与其集电极相连的继电器J2的线包有电流通过，其常开触点闭合，电磁换向阀5接通AC220V电源而换向；当不需要电磁换向阀5换向时，处理器给晶体管TR2的基极提供一低电位信号，晶体管TR2截止，与其集电极相连的继电器J2的线包没有电流通过，其常开触点断开，电磁换向阀5与AC220V电源断开。

第三驱动器用于给电磁换向阀6提供驱动信号，示例性地，第三驱动器包括晶体管TR3、电阻R3和二级管D3，其中晶体管的基极TR3经电阻R3连接于控制器，发射极接地，集电极接二极管D3的正极。二极管D3的负极接电源，二极管D3的两端与继电器J3的线包相并联。继电器J3的常开触点的一端接AC220V的电源的第一端，另一端接电磁换向阀6的一个端子，电磁换向阀6的另一个端子连接AC220V的电源的第二端。当需要电磁换向阀6换向时，处理器给晶体管TR3的基极提供一个高电位信号，晶体管TR3导通，与其集电极相连的继电器J3的线包有电流通过，其常开触点闭合，电磁换向阀6接通AC220V电源而换向；当不需要电磁换向阀6换向时，处理器给晶体管TR3的基极提供一低电位信号，晶体管TR3截止，与其集电极相连的继电器J3的线包没有电流通过，其常开触点断开，电磁换向阀6与AC220V电源断开。

本发明提供的控制系统还包括用于驱动步进电机M1的步进电机驱动器21，其通过光电隔离器20与控制器相连。控制器经隔离器22给步进电机驱动器21提供控制信号，步进电机驱动器21驱动电机M1正转或者反转，以使注射泵工作。更具体地说，电机M1带动注射泵的推垃植以进一步带动活塞在其空筒内上下移动，向下移动时抽入介质，向上移动时排出介质，所述介质为水、酒精、氮气或空气。

控制系统还包括用于驱动步进电机M2的步进电机驱动器23，其通过光电隔离器22与控制器相连。控制器经隔离器22给步进电机驱动器23提供控制信号，步进电机驱动器23驱动电机M2正转或者反转，从而使滑块15在电机M2的驱动下沿丝杆上下移动。滑块15带动注射针8上下移动。如图4所示，本发明中，丝杆的长度为固定值，将容器呈矩阵中设置在支架（图中未示）中，丝杆与支架的位置固定，换句话说，沿高度方向，滑块15的起始位置A与容器的底部C的位置固定，滑块15带动注射针8沿丝杆向下移动时，驱动电机的脉冲数也在随着下移的距离增加而呈线性增加，而一个脉冲驱动电机以带动滑块15向下移动的步长为已知，当注射针8接触到液面时，即注射针由B移动动B`时，由注射针、电容极板和其间的介质形成的电容的值发生变化，电容传感器探测到该变化并将这种电容的变化转换成电压信号而后提供给多路复用器28，多路复用器28将该电压信号提供给放大器，放大器将放大后的信号提供给A/D转换器29，A/D转换器29将所接收的模拟信号转换为数字信号，经隔离器提供给控制器，控制器检测到该信号后，调用存储器内应用程序，根据脉冲数和步长可计算出注射针下移的距离，滑块起始位置减去下移距离就得到，容器内液面高度，容器内的液面高度与容器的横截面之积计算得到容器内的溶液的体积，由此可见，本发明提供的液面跟踪装置能够跟踪容器内的液体的液面。

控制系统还包括用于驱动步进电机M3的步进电机驱动器25，其通过光电隔离器24与控制器相连。控制器经隔离器24给步进电机驱动器25提供控制信号，步进电机驱动器25驱动电机M3正转或者反转，以使Z臂沿Y臂前后移动，更进一步地，使Z臂携带注射针前后移动到相应列的容器上方。

控制系统还包括用于驱动步进电机M4的步进电机驱动器27，其通过光电隔离器26与控制器相连。控制器经隔离器26给步进电机驱动器27提供控制信号，步进电机驱动器27驱动电机M4正转或者反转，以使Y臂能够在电机M4驱动下沿X左右移动，更进一步地，使Y臂携带Z臂，Z臂携带注射针8左移移动到所相应行的容器上方。

本发明提供的液位跟踪装置还包括在稳压电源，稳压电源用于给各部件提供电能，稳压电源与AC220V电源间设置开关KH2和KL2，是为了当控制信号不起作用时，强制关闭电源。

本发明提供的液位跟踪装置还包括存储器11，其至少包括ROM和RAM，ROM用于存储应该程序和数据，RAM用于存储临时值。本发明提供的液位跟踪装置还包括第一通信模块10，其为无线通信模块，如WIFI模块、蓝牙模块等，其用于控制器与上位机进行无线链路。本发明提供的液位跟踪装置还包括第二通信模块32，其优选为网卡，用于与上位机进行有线链路，如此上位机可能够通过第一和第二通信模块给控制器发送指令，并从控制器中接数据。控制器将液位传咸器12和压力传感器所传送的数据打包成帧并通过通信模块发送到上位机，上位机根据这些数据也进行相行的计算。

本发明提供的液位跟踪装置还包括声光报警电路，其包括晶体管TR4、电阻R7、电阻R8、扬声器30和灯LED，其中，晶体管TR4的基极TR1经电阻R7连接于控制器，发射极接地，集电极接灯LED的负极。灯LED的正极经电阻R8接电源。当管路内的压力超过设定值时，处理器给晶体管TR4的基极提供一个高电位信号，晶体管TR4导通，LED发光，扬声器30发声。

图4是本发明提供的液位跟踪装置的控制系统的控制过程示意图，如图4所示，液位跟踪装置的控制系统的控制过程包括：

使液位跟踪装置的控制系统初始化，并通过通信模块接收上位机的数据，给电机M2、电机M3、电机M4提供驱动信号，使三轴机械臂运行到指定的试管位置，控制系统使Z臂上滑块15下降，在运行当中滑块携带的注射针8碰到液面时，液位传感器发出一个电平信号给控制器。

控制器接收到这个信号，控制注射泵1抽取液体，并且调整Z轴上注射针下降的速度，使之与液面下降速度保持一致，实现液面跟随。

注射泵抽取到实验的设定量时，会给控制器一个完成信号，于是控制滑块上移，滑块带动注射针上拉并控制机械臂运行到指定SPE柱位置，再控制Z臂上滑块下移，以使注射针下降插入SPE柱柱盖中心的小孔，当注射针台阶处的密封圈顶住盖子上的小孔时，注射泵注入刚从试管中吸取的液体。

由于管路中可能有液体残留，所以在管路连接中安装了第二和第三电磁换向阀5和6，实现了氮气或空气的进入（两者任选其一）。当实验室里没有氮气时，可以由注射泵代替动力源对空气进行抽取然后助推，如若实验室有氮气，只要把氮气接入即可（氮气本身有压力，无需通过注射泵抽吸）。

注射泵还通过第一电磁换向阀2接纯净水或酒精，因为吸入的液体不进入注射泵（倘若进入会导致交叉污染），液体只会到达第三电磁换向阀之前储液管3中（注射泵一次吸入量为10ML，在注射针与三路切换阀之间会有>10ml的储液管来存放吸入的液体），倘若吸入的液体不进入注射泵，那么注射泵在抽吸时管壳中会因没有介质的往复运动而缩短注射泵的寿命，因此注射泵会通过第一电磁换向阀2接入纯净水或酒精，帮助抽吸，起到润滑的作用。

由于一些实验的液体中存在大颗粒物质，向SPE柱注入液体流速过快可能导致SPE柱堵塞，所以在管道中加入压力传感器4，当压力超过设定值时，仪器通过压力传感器4返回信号进行报警，达到安全使用装置（或者仪器）的目的。

本发明中，由于通过使注射泵和注射针之间的储液管中依次注入液体、气体和溶液，利用气体将液体和溶液隔开，使溶液不进入注射泵而仅暂时存储于储液管中，而储液管便于利用液体或气体进行清洗，因此避免了交叉感染。

以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种液位跟踪装置，其至少包括控制系统、液位传感器和注射针，其特征在于，还包括电容极板，所述注射针上连接有第一导线，所述第一导线连接于液位传感器的信号输入端；所述电容极板连接于第二导线，所述第二导线连接于液位传感器的公共端，液位传感器用于给控制系统提供容器内的液位信号；

还包括储液管、压力传感器和固相萃取柱，所述注射针能够将储液管内药液注入到所述固相萃取柱内，所述压力传感器与所述储液管连接，以使所述压力传感器能够测量所述储液管内的压力。

2.根据权利要求1所述的液位跟踪装置，其特征在于，还包括三轴机械臂，所述三轴机械臂包括垂直于地而的Z臂，设置在前后方向的Y臂；设置在左右方向的X臂，Z臂上设置有丝杆，丝杆上设置有滑块，滑块在第一电机的驱动下在丝杆上移动。

3.根据权利要求2所述的液位跟踪装置，其特征在于，还包括第二电机，第二电机能够驱动Z臂沿Y臂前后移动。

4.根据权利要求3所述的液位跟踪装置，其特征在于，还包括第三电机，第三电机能够驱动Y臂沿X臂左右移动。

5.根据权利要求4所述的液位跟踪装置，其特征在于，还包括注射泵，注射泵的活塞由第四电机驱动运动。

6.根据权利要求5所述的液位跟踪装置，其特征在于，所述注射泵与注射针之间的定量储液管的长度根据设计值确定。

7.根据权利要求6所述的液位跟踪装置，其特征在于，控制系统根据液位传感器提供的容器内的液位信息控制第一、第二、第三和第四电机的工作状态。