CN116147731B - 一种分层液体界面的液位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层液体界面的液位检测方法，使用液位测量装置进行检测，所述液位测量装置包括移液器，通过移液器内设置的压力检测模块来检测枪头、TIP头内及外部环境的气压值，在移液器沿Z轴向下运动至接触到液面之前，TIP头内及外部环境之间没有气压差，当TIP头的底端接触到液面后且未伸入到第二层液体时，TIP头内的压强随TIP头进入到第一层液体内的深度开始线性增高。由于第一层液体和第二层液体不相溶，两者密度不同，所以在TIP头刚接触到第二层液体时，因为第二层液体的密度变化，会使TIP头内的气压出现跳变，当检测到跳变值后停止移液器在Z轴方向的下降并获取Z轴的位置，从而达到检测第二层液面位置的目的。

Description

一种分层液体界面的液位检测方法

技术领域

本发明涉及液位检测技术领域，具体涉及一种分层液体界面的液位检测方法。

背景技术

实验室在进行试验检测时，通常会使用移液器进行液体试剂的分配应用，移液器又称为移液枪，是在一定量程范围内，将液体从原容器内移取到另一容器内的一种计量工具，被广泛用于生物、化学等领域，例如在医院的检测化验科进行血液样本或尿液样本检测分析时，通常需要利用移液器来将样本或相应的化学检测助剂吸取至对应的器皿中进行检测。再例如医院进行血液抽样检测时，会进行血液分配，将试剂瓶中的血液样本进行离心处理后会在液体表面出现一层油，这第一层油是不需要采集的，在吸液前需要将移液器用于吸液的TIP头下降到穿过第一层试剂，如果第一层试剂高度不确定就需要通过一种方法检测出第二层液面的位置。

普通的液面分层识别方法是通过摄像头图形识别或者光电传感器来识别，例如申请号为201610390622.9的中国发明专利文献具体公开了一种血液分层识别方法，包括如下步骤：对样品管进行标定；每隔设定单位体积做一个标定，记录其物理高度及对应在图像中的位置；识别样品管中血液的边界；体积计算步骤：通过分段插值的算法计算体积，计算结果是根据像素位置落在的区间来做插值计算；从标定的数据中获取第一校准点的体积V1、像素位置P1、以及第二校准点的体积V2、像素位置P2；待计算点的像素位置为P3，则根据相似三角形计算V3。这种方法，弊端为每一个试剂瓶都需要单独放到特定的卡槽中，系统设计复杂，应用也不灵活，对于有标签的试剂瓶，其试剂瓶摆放的方向必须一致，实际应用并不方便。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种分层液体界面的液位检测方法，使用液位测量装置进行检测，所述液位测量装置包括移液器，通过移液器内设置的压力检测模块来检测枪头、TIP头内及外部环境的气压值，在移液器沿Z轴向下运动至接触到液面之前，TIP头内及外部环境之间没有气压差，当TIP头的底端接触到液面后且未伸入到第二层液体时，TIP头内的压强随TIP头进入到第一层液体内的深度开始线性增高。由于第一层液体和第二层液体不相溶，两者密度不同，所以在TIP头进入到第二层液体的瞬间，因为第二层液体的密度变化，会使TIP头内的气压出现跳变，当检测到跳变值后停止移液器在Z轴方向的下降并获取Z轴的位置，从而达到检测第二层液面位置的目的。

本发明解决技术问题，采用的技术方案如下：

一种分层液体界面的液位检测方法，使用液位测量装置进行检测，所述液位检测方法包括如下步骤：

步骤S100：运行液位测量装置的移液器，使移液器沿Z轴下降，移液器带动TIP头下降过程中，移液器内设置的压力检测模块实时检测TIP头内部的气压值P_内和移液器的外部环境的气压值P_外；

步骤S200：随着移液器的下降，TIP头的下端伸入到液体试剂中，通过移液器内设置的处理模块比较获取的TIP头内部的气压值P_内和移液器的外部环境的气压值P_外，根据这两个气压值的差值ΔP，ΔP=P_内-P_外，判断TIP头下端是否已进入液面；

步骤S300：当TIP头下端进入上面第一层液体试剂的液面，并随移液器的带动在第一层液体试剂中继续下降时，TIP头内部的气压值P_内按线性比例增大，处理模块记录气压差值ΔP随时间变化的递增数据并将这些数据拟合得到第一变化曲线，并将第一变化曲线与水平线比较，得到第一斜率；

步骤S400：当移液器带动TIP头的下端在第一层液体试剂中继续向下移动，突破第一层液体试剂与第二层液体试剂的临界面并进入到第二层液体试剂的液面中时，TIP头内部的气压值P_内与外部环境的气压值P_外的差值ΔP，不再按第一斜率的线性比例增大，处理模块记录得到的首个气压差值ΔP超过第一斜率上对应值的设定比例时，即为跳变点；

步骤S500：检测到TIP头进入到预定液层的液体试剂中时，移液器停止下降并发出吸液指令，TIP头执行吸液操作。

进一步的，在步骤S100中，TIP头下端进入液体试剂之前，压力检测模块检测到的移液器的外部环境的气压值P_外和TIP头内部的气压值P_内相等，均为外部环境的气压值P_外。

更进一步的，在步骤S200中，当TIP头的下端伸入到液体试剂中之后，压力检测模块检测到的移液器的外部环境的气压值P_外和TIP头内部的气压值P_内就会存在气压差，此时TIP头内部的气压值P_内大于移液器的外部环境的气压值P_外，P_内-P_外＞0；

当处理模块对两个气压值进行比较和计算，得到ΔP＞0时，则判定TIP头下端已进入到了液体试剂的液面。

在步骤S300中，当TIP头下端进入上面第一层液体试剂的液面后，每隔一设定时间间隔开始记录TIP头内部的气压值P_内，并将每个值与移液器的外部环境的气压值P_外进行比较计算，得到每一个时间点的气压差值ΔP，设定时间间隔为0.1毫秒至10毫秒，或者设定时间间隔设为1微秒至10微秒，且时间间隔值的大小与第一层液面的高度以及TIP头下端在第一层液面中行走的速度相关。

在步骤S400中，跳变点为处理模块按设定时间间隔记录得到的首个超过第一斜率上对应值的设定比例的气压差值ΔP；

所述设定比例为10%至30%，并与第一层液体试剂和第二层液体试剂的密度差相关，相邻两层液体的密度差越大，则设定比例值越大；

当处理模块监测到出现跳变点时，表明TIP头的下端已穿过第一层液体试剂与第二层液体试剂的临界面并进入到第二层液体试剂的液面中。

优选的，所述液体试剂至少有两层，第一层液体试剂的密度为ρ₁，TIP头下端伸入到第一层的深度为h₁,第二层液体试剂的密度为ρ₂，TIP头下端伸入到第二层的深度为h₂，ρ₁小于ρ₂，TIP头未进入液体试剂前，TIP头内部的气压值P_内等于移液器外部环境的气压值P_外，TIP头位于液体试剂内时引起的液位上升高度忽略不计，则：

TIP头下端位于第一层液体试剂时，TIP头内的气压值计算方法为：p₁=ρ₁gh₁，其中，p₁为TIP头下端位于第一层液体试剂h₁高度时的压强值，g为重力加速度；

TIP头下端位于第二层液体试剂时，TIP头内的气压值计算方法为：p₂=(ρ₁h₁+ρ₂h₂)*g，其中，p₂为TIP头下端位于第二层液体试剂h₂高度时的压强值。

上述分层液体界面的液位检测方法，所述液位测量装置包括移液器，移液器包括枪头，枪头具有内腔，在枪头的下端安装有TIP头；在移液器的壳体内还安装有压力检测模块和处理模块，所述压力检测模块至少具有第一检测口和第二检测口；第一检测口与枪头的内腔连通，第二检测口与移液器的外部环境连通；

处理模块与压力检测模块电连接；处理模块用于获取压力检测模块检测到的枪头内部的气压值P_内和移液器的外部环境的气压值P_外，并计算得到两者的气压差值ΔP。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种分层液体界面的液位检测方法，使用液位测量装置进行检测，所述液位测量装置包括移液器，通过移液器内设置的压力检测模块来检测枪头、TIP头内及外部环境的气压值，在移液器沿Z轴向下运动至接触到液面之前，TIP头内及外部环境之间没有气压差，当TIP头的底端接触到液面后且未伸入到第二层液体时，TIP头内的压强随TIP头进入到第一层液体内的深度开始线性增高。由于第一层液体和第二层液体不相溶，两者密度不同，所以在TIP头刚接触到第二层液体时，因为第二层液体的密度变化，会使TIP头内的气压出现跳变，当检测到跳变值后停止移液器在Z轴方向的下降并获取Z轴的位置，从而达到检测第二层液面位置的目的。本发明通过检测移液器上安装的TIP头内部的气压值而获取分层界面的位置，解决了现有技术中，分层液体界面检测系统设计复杂，应用不灵活，使用不方便的问题。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明提供的移液器检测液面的简易结构示意图；

图2是本发明提供的移液器的结构示意图；

图3是本发明提供的TIP头安装在枪头上的内部结构示意图；

图4是本检测方法的理论压力波形图，其中横坐标t表示时间，纵坐标p表示压强；

图5是本检测方法的实际压力波形图，其中横坐标t表示时间，纵坐标p表示压强。

图标：10、压力检测模块；20、壳体；30、活塞管；35、活塞杆；40、第一电机；50、第一丝杠；60、第二电机；70、第二丝杠；100、移液器；101、枪头；103、内腔；110、TIP头；A、跳变点。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1至图5对本发明作详细说明。

请参考图1和图2所示，一种分层液体界面的液位检测方法，通过实时检测移液器100上安装的TIP头110内部的气压值的变化而获取分层界面的位置。移液器100包括壳体20、活塞管30、设于活塞管30内的活塞杆35、安装在活塞管30下端的枪头101，枪头101的下端用于安装TIP头110，移液器100还包括安装在壳体20中的压力检测模块10及处理模块，在壳体20上安装有第一电机40、第一电机40通过第一丝杠50带动活塞杆35在活塞管30内上下移动。移液器100安装在机架上，并通过第二电机60与第二丝杠70带动移液器100在机架上进行上下移动。

首先，本实施方式提出一种分层液体中分层界面的液位测量装置，如图1至图3所示，包括移液器100，移液器100又包括枪头101，枪头101具有内腔103，枪头101的下端安装有TIP头110；在移液器100的壳体内还安装有压力检测模块10和处理模块，所述压力检测模块10具有第一检测口和第二检测口；第一检测口与枪头101的内腔103连通，第二检测口与移液器100的外部环境连通。

处理模块与压力检测模块10电连接，处理模块用于获取压力检测模块10检测到的枪头101内部的气压值和外部环境的气压值，并计算得到两者的气压差值ΔP。

具体的，请参考图3所示，枪头101的内部设有内腔103，TIP头110安装在枪头101上时，内腔103与TIP头110内部的通道连通，从而通过TIP头110与枪头101配合完成相应的吸液或排液操作。需要说明的是，在本实施方式中所使用的移液器100为现有的移液器，其具体结构请参考已公开专利文献中的气动移液器的结构，如申请号为2022104902358，名称为一种气动移液器加速液面探测的方法及气动移液器专利文献，在此不再详细描述。

压力检测模块10安装在移液器100内部，其至少具有第一检测口和第二检测口，其中第一检测口与枪头101的内腔103连通，从而检测内腔103和TIP头110内部的气压值，本实施方式将其定义为P_内；而第二检测口与外部环境连通，用于检测外部环境的气压值，本实施方式将其定义为P_外。本实施方式中的压力检测模块10为差压传感器。当然，在其他实施方式中，压力检测模块10也可以为两个压力传感器，其中一个压力传感器与枪头101的内腔103连通，用于检测内腔103和TIP头110内部的气压值P_内，另一个压力传感器用于检测外部环境的气压值P_外。

进一步的，处理模块与压力检测模块10电连接，处理模块能够获取压力检测模块10检测到的气压值，并根据获取到的气压值得到内腔103与外部环境之间的气压差值ΔP。在TIP头110的下端未进入到液体内时，该气压差值ΔP为0。且该气压差值ΔP在TIP头110的下端进入到液体内后，且未进入到下层液体内时，气压差值ΔP随着TIP头110进入到液体内的深度而线性增高。即：气压差值ΔP为TIP头110底端在液体内所处位置的液体压强值。

本实施方式提出的一种分层液体界面的液位检测方法，使用上述的液位测量装置进行检测，所述液位检测方法包括如下步骤：

步骤S100：运行液位测量装置的移液器，使移液器沿Z轴匀速下降，移液器带动TIP头下降过程中，移液器内设置的压力检测模块的第一检测口和第二检测口分别实时检测TIP头内部的气压值P_内和移液器外部环境的气压值P_外；

TIP头下端进入液体试剂之前，压力检测模块检测到的移液器的外部环境的气压值P_外和TIP头内部的气压值P_内相等，均为外部环境的气压值。

步骤S200：随着移液器的下降，TIP头的下端伸入到液体试剂中；移液器内设置的处理模块比较获取的移液器的外部环境的气压值P_外和TIP头内部的气压值P_内，根据这两个气压值之间的差值ΔP，ΔP=P_内-P_外，判断TIP头下端是否已进入液面；

通过处理模块对两个气压值进行比较和计算，得到气压差值ΔP，在TIP头下端进入液体试剂之前，气压差值ΔP=0；TIP头的下端伸入到液体试剂中之后，压力检测模块检测到的移液器的外部环境的气压值P_外和TIP头内部的气压值P_内就会存在气压差，此时TIP头内部的气压值P_内大于移液器的外部环境的气压值P_外，即：P_内-P_外＞0。

当处理模块对两个气压值进行比较和计算，得到ΔP＞0时，则判定TIP头下端已进入到了液体试剂的液面；

步骤S300：当TIP头下端进入上面第一层液体试剂的液面，并随移液器的带动在第一层液体试剂中继续下降时，TIP头内部的气压值P_内按线性比例增大，移液器内设置的处理模块按设定时间间隔记录气压差值ΔP随时间变化的递增数据并将这些数据拟合得到第一变化曲线，并将第一变化曲线与水平线比较，得到第一斜率；

TIP头下端接触某一层液体试剂时，TIP头内部的气压值按一定比例增大，该比例与该层液体试剂的密度直接相关。

当TIP头下端进入上面第一层液体试剂的液面后，每隔一设定时间间隔开始记录TIP头内部的气压值P_内，并将每个值与移液器的外部环境的气压值P_外进行比较计算ΔP=P_内-P_外，得到每一个时间点的气压差值ΔP，设定时间间隔可以是0.1毫秒至10毫秒，如需得到更多的气压差值ΔP随时间变化的递增数据，还可以将时间间隔设为1微秒至10微秒。具体的时间间隔值的设定与第一层液面的高度以及TIP头下端在第一层液面中行走的速度相关。

步骤S400：当移液器带动TIP头的下端在第一层液体试剂中继续向下移动，突破第一层液体试剂与第二层液体试剂的临界面并进入到第二层液体试剂的液面中时，TIP头内部的气压值P_内与外部环境的气压值P_外的差值ΔP，不再按第一斜率的线性比例增大，处理模块按设定时间间隔记录得到的首个气压差值ΔP超过第一斜率上对应值的设定比例时，即为跳变点A；

所述设定比例为10%至30%，即处理模块按设定时间间隔记录得到，从某一时刻点开始，其气压差值ΔP超过了第一斜率所对应的第一变化曲线延伸线上对应值的10%或20%或25%或30%时，这第一个超出的点即为跳变点A；设定比例的具体值与第一层液体试剂和第二层液体试剂的密度差相关，相邻两层液体的密度差越大，则设定比例值可以越大。

当处理模块监测到出现跳变点A时，则表明TIP头的下端已穿过第一层液体试剂与第二层液体试剂的临界面并进入到第二层液体试剂的液面中。

在本实施方式中，液体试剂有两层，两层液体试剂不相溶，第一层液体试剂的密度小于第二层液体试剂的密度，第一层液体试剂位于第二层液体试剂的上方。

设第一层液体试剂的密度ρ₁，TIP头下端伸入到第一层的深度为h₁,TIP头位于液体试剂内时引起的液位上升高度忽略不计。TIP头内部的压强与TIP头下端的压强相同，TIP头下端的压强值与TIP头下端在液体内所处位置的压强相同，则TIP头内部的压强等于TIP头下端在液体内所处位置的压强。TIP头下端在液体内所处位置的压强的计算方法为p₁=ρ₁gh₁，其中，p₁为TIP头下端位于第一层液体试剂h₁高度时的压强值，g为重力加速度。

步骤S500：检测到TIP头进入到预定液层的液体试剂中时，移液器停止下降并发出吸液指令，TIP头执行吸液操作。

设定第二层液体试剂的密度为ρ₂，TIP头下端伸入到第二层的深度为h₂，TIP头下端位于第二层液体试剂中时，TIP头内的气压值计算方法为：p₂=(ρ₁h₁+ρ₂h₂)*g，其中，p₂为TIP头下端位于第二层液体试剂h₂高度时的压强值。由于ρ₁小于ρ₂，当TIP头从第一层液体试剂进入到第二层液体试剂的瞬间，即TIP头刚接触到第二层液体试剂时，压力检测模块检测到的TIP头内的气压值出现跳变，当检测到跳变点之后，移液器停止Z轴方向的下降，并获取Z轴的位置，从而达到检测第二层液体试剂液面位置的目的。此时，TIP头已进入到预定层的液体试剂中，移液器运行，TIP头开始进行吸液。

具体的，本检测方法的理论压力波形如图4所示，在图4中，横坐标t表示时间，纵坐标p表示压强，t1表示TIP头110刚接触到第一层液面时的时间点，t2表示TIP头110刚接触到第二层液面时的时间点。p2为对应时间点t2时，压力检测模块10所检测到的内腔103中的气压值。

t1至t2阶段为TIP头位于第一层液体试剂内时，随着TIP头进入到第一层液体试剂内的深度形成的波形图；t2以后的阶段为TIP头位于第二层液体试剂内时，随着TIP头进入到第二层液体试剂内的深度形成的波形图，可以看出，t1至t2阶段的波形斜率（第一斜率）小于t2以后阶段的波形斜率（第二斜率）。两个波形的转折点就是跳变点A，即为第二层液体试剂的界面，也为第一层液面和第二层液面的分界面。

在实际使用时，TIP头在某一液体层内下降，得到的压力波形受TIP头进入液体致使液面高度升高的影响，波形并不是以直线呈现的，而是如图5所示，在图5中，横坐标t表示时间，单位是ms；纵坐标p表示压强，单位是upa。从图5中仍然可以明显看到两个波形的转折点，即跳变点A，即上下层液体因为密度的不同，在TIP头从上层液体中刚进入到下层液体中时，其TIP头内的气压值必定会出现跳变。在实际应用中，TIP头进入液体致使液面高度升高，不会影响对液面检测的准确性。

需要说明的是，虽然本实施方式仅具体阐述了对两层分层液体试剂的液面检测方法，但该液面检测方法，同样适用于多层分层液体试剂的液面检测。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种分层液体界面的液位检测方法，使用液位测量装置进行检测，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100：运行液位测量装置的移液器，使移液器沿Z轴下降，移液器带动TIP头下降过程中，移液器内设置的压力检测模块实时检测TIP头内部的气压值P_内和移液器的外部环境的气压值P_外；

步骤S200：随着移液器的下降，TIP头的下端伸入到液体试剂中，通过移液器内设置的处理模块比较获取的TIP头内部的气压值P_内和移液器的外部环境的气压值P_外，根据这两个气压值的差值ΔP，ΔP=P_内-P_外，判断TIP头下端是否已进入液面；

当TIP头的下端伸入到液体试剂中之后，压力检测模块检测到的移液器的外部环境的气压值P_外和TIP头内部的气压值P_内就会存在气压差，此时TIP头内部的气压值P_内大于移液器的外部环境的气压值P_外，P_内-P_外＞0；

当处理模块对两个气压值进行比较和计算，得到ΔP＞0时，则判定TIP头下端已进入到了液体试剂的液面；

步骤S300：当TIP头下端进入上面第一层液体试剂的液面，并随移液器的带动在第一层液体试剂中继续下降时，TIP头内部的气压值P_内按线性比例增大，处理模块记录气压差值ΔP随时间变化的递增数据并将这些数据拟合得到第一变化曲线，并将第一变化曲线与水平线比较，得到第一斜率；

当TIP头下端进入上面第一层液体试剂的液面后，每隔一设定时间间隔开始记录TIP头内部的气压值P_内，并将每个值与移液器的外部环境的气压值P_外进行比较计算，得到每一个时间点的气压差值ΔP，设定时间间隔为0.1毫秒至10毫秒，或者设定时间间隔为1微秒至10微秒，且设定时间间隔值的大小与第一层液面的高度以及TIP头下端在第一层液面中行走的速度相关；

步骤S400：当移液器带动TIP头的下端在第一层液体试剂中继续向下移动，突破第一层液体试剂与第二层液体试剂的临界面并进入到第二层液体试剂的液面中时，TIP头内部的气压值P_内与外部环境的气压值P_外的差值ΔP，不再按第一斜率的线性比例增大，处理模块记录得到的首个气压差值ΔP超过第一斜率上对应值的设定比例时，即为跳变点；

跳变点为处理模块按设定时间间隔记录得到的首个超过第一斜率上对应值的设定比例的气压差值ΔP；

所述设定比例为10%至30%，并与第一层液体试剂和第二层液体试剂的密度差相关，相邻两层液体的密度差越大，则设定比例值越大；

当处理模块监测到出现跳变点时，表明TIP头的下端已穿过第一层液体试剂与第二层液体试剂的临界面并进入到第二层液体试剂的液面中；

步骤S500：检测到TIP头进入到预定液层的液体试剂中时，移液器停止下降并发出吸液指令，TIP头执行吸液操作。

2.根据权利要求1所述的一种分层液体界面的液位检测方法，其特征在于，在步骤S100中，TIP头下端进入液体试剂之前，压力检测模块检测到的移液器的外部环境的气压值P_外和TIP头内部的气压值P_内相等，均为外部环境的气压值P_外。

3.根据权利要求1所述的一种分层液体界面的液位检测方法，其特征在于，所述液体试剂至少有两层，第一层液体试剂的密度为ρ₁，TIP头下端伸入到第一层的深度为h₁,第二层液体试剂的密度为ρ₂，TIP头下端伸入到第二层的深度为h₂，ρ₁小于ρ₂，TIP头未进入液体试剂前，TIP头内部的气压值P_内等于移液器外部环境的气压值P_外，TIP头位于液体试剂内时引起的液位上升高度忽略不计，则：

TIP头下端位于第一层液体试剂时，TIP头内的气压值计算方法为：p₁=ρ₁gh₁，其中，p₁为TIP头下端位于第一层液体试剂h₁高度时的压强值，g为重力加速度；

TIP头下端位于第二层液体试剂时，TIP头内的气压值计算方法为：p₂=(ρ₁h₁+ρ₂h₂)*g，其中，p₂为TIP头下端位于第二层液体试剂h₂高度时的压强值。

4.根据权利要求1所述的一种分层液体界面的液位检测方法，其特征在于，所述液位测量装置包括移液器，移液器包括壳体、活塞管、设于活塞管内的活塞杆、安装在活塞管下端的枪头，枪头具有内腔，在枪头的下端安装有TIP头；在移液器的壳体内还安装有压力检测模块和处理模块，所述压力检测模块至少具有第一检测口和第二检测口；第一检测口与枪头的内腔连通，第二检测口与移液器的外部环境连通；

在壳体上安装有第一电机、第一电机通过第一丝杠带动活塞杆在活塞管内上下移动；

移液器安装在机架上，并通过第二电机与第二丝杠带动移液器在机架上进行上下移动；

处理模块与压力检测模块电连接；处理模块用于获取压力检测模块检测到的枪头内部的气压值P_内和移液器的外部环境的气压值P_外，并计算得到两者的气压差值ΔP。