CN113514129A - 一种液面检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液面检测系统，包括液面探测针以及对应的检测电路，所述检测电路通过读取液面探测针的针尖液面的电容变化所对应的电压变化确定是否检测到液面。为了实现上述目的，本发明还提供了一种液面检测方法。本发明通过检测电路读取电容的偏差所对应产生的电压变化，通过电压变化确定是否检测到液面，有效防止液面出现持续抖动或者不稳定时而导致检测失误，从而提高了液面检测的准确性。

Description

一种液面检测系统及方法
技术领域
本发明涉及液面探测技术领域，特别涉及一种液面检测系统及方法。
背景技术
液面探测针的内外壁采用的是非直接连接方式，中间有空气作为介质，形成一个容值范围在30pf-60pf内的电容，正常国内生产厂家的精度可以保证在±10pf以内。上述现有技术中，电路设计的方案是以检测探测针针尖的电容为方向，由于液面探测针的电容容值非常小，因此，对于精度要求较高，检测结果会存在不确定性，检测结果难以保证准确性。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提出一种液面检测系统及方法，通过检测出电容的偏差所对应产生的电压变化，通过电压变化确定是否检测到液面，从而提高了液面检测的准确性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种液面检测系统，包括液面探测针以及对应的检测电路，所述检测电路通过读取液面探测针的针尖液面的电容变化所对应的电压变化确定是否检测到液面。
进一步的，所述检测电路设有时钟电路用于提供基本的时钟源。
进一步的，所述检测电路设有压控锁相环检测电路以及数字电位器，所述压控锁相环检测电路通过数字电位器改变压控锁相环检测电路的输出中心频率值从而输出压控电压值。
进一步的，所述检测电路设有输出控制电路，所述输出控制电路通过低通滤波器、反馈控制电压、高通滤波器、运算放大电路实现激励放大从而实现电压值变化转换为电容变化检测。
进一步的，所述检测电路的检测间隔设定为0.5-2秒用于提高检测精度。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种液面检测方法，包括以下步骤：
S1、初次装上液面检测板，单片机通过调整数字电位器，使得内部VCO的输出频率和外部晶振提供的时钟源处于锁相状态；
S2、当针尖触碰到液面后，产生电容变化，此时，内部VCO的输出频率变化，导致锁相失衡，PC2out端口出现电压跳变；
S3、经过带通滤波器、电压跟随器，该跳变电压值可以用单片机读取，从而判断针尖是否检测到了液面。
进一步的，所述液面检测板装配完毕时，在仪器出厂时将试剂瓶灌入3ml的水，将试剂针运行至液面处并记录试剂针步进电机所走过的步数为零值，在仪器使用时试剂针会向下运行，当试剂针电容信号发生跳变，则将停止运行并记录试剂针步进电机所走过的步数与零值步数相比较得出当前试剂瓶内的量。
进一步的，所述试剂针包含试剂针内芯、试剂针挡片、弹簧挡片和热缩套管，试剂针内芯与试剂针挡片套入热缩套管进行绝缘，试剂针挡片连接地信号，试剂针内芯与液面接触产生电容信号，试剂针表面采用特氟龙涂层。
有益效果：本发明通过检测电路读取电容的偏差所对应产生的电压变化，通过电压变化确定是否检测到液面，有效防止液面出现持续抖动或者不稳定时而导致检测失误，从而提高了液面检测的准确性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的液面检测系统的时钟电路；
图2为本发明实施例所述的液面检测系统的压控锁相环检测电路；
图3为本发明实施例所述的液面检测系统的数字电位器；
图4为本发明实施例所述的液面检测系统的输出控制电路；
图5为本发明实施例所述的液面检测方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
参见图1-4：一种液面检测系统，包括液面探测针以及对应的检测电路，所述检测电路通过读取液面探测针的针尖液面的电容变化所对应的电压变化确定是否检测到液面。
本实施例的检测电路可以在未检测到液面时读取一个已知电压值，在进行检测液面工作时，读取一个工作时电压，上述已知电压值与工作时的电压差值可以设置为0.4-1V，检测精度较高，受环境影响程度小。
在一具体的实例中，所述检测电路设有时钟电路用于提供基本的时钟源。
本实施例利用外部晶振加4024分频器提供基本的时钟源，用于确定检测电容变化操作的设定时间间隔，提高检测精度。
在一具体的实例中，所述检测电路设有压控锁相环检测电路以及数字电位器，所述压控锁相环检测电路通过数字电位器改变压控锁相环检测电路的输出中心频率值从而输出压控电压值。
图2中，4046是一个压控锁相环，其基本工作原理是6脚、7脚间的电容和R2组成基本的压控振荡器，9脚为压控输入端，可以调整振荡器的输出频率，R1的大小决定锁相的频宽，10脚SFOUT是一个源极跟随器，其输出值为VCOin也就是压控电压的检测端。13脚PC2out是比较器2的输出端，4046内部的压控振荡器的输出频率低于14脚的基本时钟源的频率时，PC2out输出为低，反之输出为高。图3中，MAX5484(ISL22416)是数字电位器，可以改变图2中R2的接入电阻值，从而改变4046内部压控振荡器的输出中心频率值。
在一具体的实例中，所述检测电路设有输出控制电路，所述输出控制电路通过低通滤波器、反馈控制电压、高通滤波器、运算放大电路实现激励放大从而实现电压值变化转换为电容变化检测。
由于4046的DATASHEET要求提供一个RC低通滤波器，以便比较器的输出值能正确反馈到压控端，继而调整内部压控振荡器的输出频率，实现锁相。因此，图4中电路设计为：C7为旁路电容，R17、R22、C8组成低通滤波器，U4-VCOin为反馈控制电压，C2、R6组成高通滤波器，运算放大电路实现激励放大，PC1为电容变化检测端，具体的带通频率范围计算过程参考模拟电路基础。
在一具体的实例中，所述检测电路的检测间隔设定为0.5-2秒用于提高检测精度。
由于部分试剂有一定的挥发性，有可能导致试剂针位于液面近端时形成误判，因此，设计检测间隔越低，检测精度越高，另外，本实施例的检测电路设计为电容式高精度，即通过上述电路实现高精度检测。
实施例2
为了实现上述目的，参见图5：本实施例还提供了一种液面检测方法，包括以下步骤：
S1、初次装上液面检测板，单片机通过调整数字电位器，使得内部VCO的输出频率和外部晶振提供的时钟源处于锁相状态；
S2、当针尖触碰到液面后，产生电容变化，此时，内部VCO的输出频率变化，导致锁相失衡，PC2out端口出现电压跳变；
S3、经过带通滤波器、电压跟随器，该跳变电压值可以用单片机读取，从而判断针尖是否检测到了液面。
需要说明的是，本实施例的液面检测板上集成有上述检测电路，由于检测到液面后，压控反馈端迅速调整，使得4046的锁相再次完成，这里检测到液面后，如果不离开液体，不会再次检测到液面。
在一具体的实例中，所述液面检测板装配完毕时，在仪器出厂时将试剂瓶灌入3ml的水，将试剂针运行至液面处并记录试剂针步进电机所走过的步数为零值，在仪器使用时试剂针会向下运行，当试剂针电容信号发生跳变，则将停止运行并记录试剂针步进电机所走过的步数与零值步数相比较得出当前试剂瓶内的量。
本实施例在进行液面检测时，首先通过液面检测板与所检测的试剂瓶进行设备调试，提高检测的精度以及可信度。
在一具体的实例中，所述试剂针包含试剂针内芯、试剂针挡片、弹簧挡片和热缩套管，试剂针内芯与试剂针挡片套入热缩套管进行绝缘，试剂针挡片连接地信号，试剂针内芯与液面接触产生电容信号，试剂针表面采用特氟龙涂层。
需要说明的是，特氟龙涂层有疏水性等特点，可以防止液体残留于试剂针外壁以保证仪器整体重复性，弹簧挡片可以在试剂针运行至底部时弹起防止试剂针撞歪。
在具体实现中，图2和图3中，R2是由R19和数字电位器组成，软件修改数字电位器的接入电阻值就可以调整压控振荡器的频率输出值。4046的10号引脚SFout提供了压控电压检测端口，这里提下，实际检测值是Vco＊R26/(R26+R47)，电路中的参数为R26＝10K，R47＝6.8K，也就是检测电压值实际约等于10/17＊Vco，为了使得电路能顺利检测探测针的针尖端的电容变化，这里在装上液面探测针时，需要调整数字电位器，使得检测到的SFout的电压值在一个合理的范围内，ISL22416数字电位器电路中，考虑到数字电位器的量程位10K，调频基数太大，初次装上探测针并能实现锁相时软件中设置为0.4-4V，如果超过这个范围，认定为探测针无法正常使用。MAX5484中，数字电位器位50K，调频基数小，软件中设置为0.4-1V。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液面检测系统，其特征在于，包括液面探测针以及对应的检测电路，所述检测电路通过读取液面探测针的针尖液面的电容变化所对应的电压变化确定是否检测到液面。
2.根据权利要求1所述的液面检测系统，其特征在于，所述检测电路设有时钟电路用于提供基本的时钟源。
3.根据权利要求1所述的液面检测系统，其特征在于，所述检测电路设有压控锁相环检测电路以及数字电位器，所述压控锁相环检测电路通过数字电位器改变压控锁相环检测电路的输出中心频率值从而输出压控电压值。
4.根据权利要求1所述的液面检测系统，其特征在于，所述检测电路设有输出控制电路，所述输出控制电路通过低通滤波器、反馈控制电压、高通滤波器、运算放大电路实现激励放大从而实现电压值变化转换为电容变化检测。
5.根据权利要求1所述的液面检测系统，其特征在于，所述检测电路的检测间隔设定为0.5-2秒用于提高检测精度。
6.一种液面检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初次装上液面检测板，单片机通过调整数字电位器，使得内部VCO的输出频率和外部晶振提供的时钟源处于锁相状态；
S2、当针尖触碰到液面后，产生电容变化，此时，内部VCO的输出频率变化，导致锁相失衡，PC2out端口出现电压跳变；
S3、经过带通滤波器、电压跟随器，该跳变电压值可以用单片机读取，从而判断针尖是否检测到了液面。
7.根据权利要求6所述的液面检测方法，其特征在于，所述液面检测板装配完毕时，在仪器出厂时将试剂瓶灌入3ml的水，将试剂针运行至液面处并记录试剂针步进电机所走过的步数为零值，在仪器使用时试剂针会向下运行，当试剂针电容信号发生跳变，则将停止运行并记录试剂针步进电机所走过的步数与零值步数相比较得出当前试剂瓶内的量。
8.根据权利要求7所述的液面检测方法，其特征在于，所述试剂针包含试剂针内芯、试剂针挡片、弹簧挡片和热缩套管，试剂针内芯与试剂针挡片套入热缩套管进行绝缘，试剂针挡片连接地信号，试剂针内芯与液面接触产生电容信号，试剂针表面采用特氟龙涂层。
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