CN207907955U - 一种基于线阵ccd的微流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于线阵CCD的微流量计，该流量计由光源、石英玻璃管、线阵CCD图像传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、三通接头和控制器构成。该微流量计采用线阵CCD图像传感器的测量结构，该结构中光源、线阵CCD图像传感器和石英玻璃管三者所处平面平行，且光源和线阵CCD图像传感器位于石英玻璃管两侧；使得光源产生的均匀的可见光垂直射入玻璃管内，并在线阵CCD图像传感器中产生液位图像，线阵CCD图像传感器将光信号转换为电信号并传送至控制器，控制器计算该时刻的液位高度并自动计时，经过一段时间后再次计算液位高度，从而计算出该时段内的累积的微小流量，实现液位微小流量的快速高精度测量。

Description

一种基于线阵CCD的微流量计

技术领域

本实用新型涉及流量测试领域，具体涉及一种结构简单、且能实现高精度测量的基于线阵CCD的微流量计。

背景技术

在工农业生产、科学研究及医疗制药等领域中，经常需要微小流量的检测。微小流量一般为1ml/h到1000ml/h，微流量测量技术的研究始于20世纪70年代。Van等人设计了第一个热线式微流量传感器，采用传统的平面硅加工技术，尺寸为1.5×1.5mm，用来对气体微流量进行测量。随后人们开始关注对微流量传感器的研究。目前，应用比较广泛的微流量的测量方法主要有两大类，一类是接触式的测量方法，另外一类是非接触式的测量方法。

1、接触式测量方法是以微电子机械系统(MEMS)技术为基础的微流量传感器作为测量手段。目前微型流量传感器主要有以下几种：热线式微型流量传感器，差压式微型流量传感器，流体振动型微流量传感器及科里奥利微流量传感器等。

热线式微流量传感器起源于20世纪初，是基于传热学原理的热式微型流量传感器。该测量流量方法的主要原理是，由于流动液体经过加热电阻使其温差变化引起热量的传递，进而通过计算机软件记录得到微流量。热线式微流量传感器具有测量流量范围大，精度高，重复性好的优点；主要缺点是当流体处于流动状态时，热导率增加，误差增大。

差压式流量传感器基于伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映流量，是最早出现的流量传感器之一，差压式微型流量传感器具有以下优点:与大多数热式流量传感器不同，该传感器电极不与流体直接接触，并且流体流动温度变化很小，适用于药物研究生产和化学分析领域。但是差压式微型流量传感器在低流量流体测量中由于流体差压小，误差会增大，而且在流体传输系统中会产生压力损失，也不适于存在脉动的流体测量。

科里奥利(Coriolis)质量流量传感器是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理制成的一种直接式质量流量计。科里奥利质量流量传感器可以克服其它质量流量测量方法的缺陷，测量值不受流体物理特性的影响，具有非常高的测量精度。但其零点漂移大，流量下限比较高；另外，其压力损失也较大。

2、最简单且最常用的非接触式测量方法为体积法或称重法，主要是根据一段时间积累的流体体积或者重量，进而通过计算获得流量，比较典型的是台湾工业技术研究院和Wolf等人进行的研究，此种方法测量精度很高，但测量过程比较耗时，且易受到周围环境的影响，对于具有分支结构的复杂流体网络的流量分析则显得无能为力。2000年以来出现了光学微流量测量技术，成为一类新的非接触式流量测量方法。Markov和Bornhop采用光学干涉法对纳升尺度流量开展了非接触测量，可以测量的范围是1-10μL/min，Nguyen等人利用光学探测方法实现了对微流量的测量，该系统利用一种廉价的、现成的电子元件来测量较低的流量。工作原理是记录一个体积流量流过位于两个光学传感器之间的透明毛细管的时间间隔，继而通过时间间隔、两个传感器之间的距离和毛细管的直径来计算出流量。实验可以测量280nl/s的流量，平均误差为1.37％。Rahima等人设计了一种光学传感器来进行微流量的测量。由于这些研究是将物理现象与流量建立相应关系，属于间接流量测量，存在诸多不确定因素。2010年，Koning等人提出基于激光多普勒测速(LDV)技术的微流量测量法，但由于该方法仅对流场三维空间进行逐点测量，流量测量比较耗时，目前也仅限于简单截面的流量测量。

综上所述，由于微流量计尤其是高精度微流量计技术复杂，测量范围有限，使用条件苛刻，价格昂贵等原因，几乎都被国外企业垄断，但目前还没有流量计能同时满足1ml/h到1000ml/h流量范围且达到1％精度。

实用新型内容

本实用新型为解决现有流量计的不足，提供一种基于线阵CCD的微流量计，能够大幅降低微小流量测量的技术复杂性和成本；提高测量精度和速度，减小体积，设计了有线和无线通信，满足多种使用需求。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种基于线阵CCD的微流量计，该流量计由光源、石英玻璃管、线阵CCD图像传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、三通接头和控制器构成；所述光源和线阵CCD图像传感器位于石英玻璃管两侧，且所述光源、线阵CCD图像传感器和石英玻璃管三者所在平面平行；第一电磁阀、第二电磁阀和石英玻璃管通过三通接头及导管连接；所述光源、线阵CCD图像传感器、第一电磁阀和第二电磁阀均与控制器连接。

该微流量计采用线阵CCD图像传感器的测量结构，该结构中光源、线阵CCD图像传感器和石英玻璃管三者所处平面平行，且光源和线阵CCD图像传感器位于石英玻璃管两侧；使得光源产生的均匀的可见光垂直射入玻璃管内，并在线阵CCD图像传感器中产生液位图像，线阵CCD图像传感器将光信号转换为电信号并传送至控制器，控制器计算该时刻的液位高度并自动计时，经过一段时间后再次计算液位高度，从而计算出该时段内的累积的微小流量，实现液位微小流量的快速高精度测量。

为了实现精确计量和控制，提高测试精度和可靠性，且提高装置的可扩展行，进一步，所述控制器包括FPGA、ARM、电源模块、光源驱动模块、通信接口。

具体的，所述光源驱动模块用于驱动光源工作，所述FPGA驱动线阵CCD图像传感器工作，并处理线阵CCD图像传感器的输出信号，同时将计算结果发送至ARM；ARM实现流量计算和阀门控制，并通过通信接口与外界通信。

具体的，所述通信接口采用RS232、SPI、WiFi或蓝牙。

进一步，所述光源为线形可见光光源，波长范围480～780nm，光源长度不低于线阵CCD长度，光强度可调。

具体的，所述光源采用冷阴极荧光灯管CCFL。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型的一种基于线阵CCD的微流量计，精度高，流量范围广。该微流量计采用线阵CCD，线阵CCD精度可达7毫米，石英玻璃管内径越细，测量精度越高，测量频率最高可达1MHz，可测量短时间内微小的液位变化量，大幅提高测量精度和速度。

2、本实用新型的微流量计结构简单紧凑，体积小，成本低，能适应各种液体环境，受温度、湿度等环境因素影响较小。

3、本实用新型的微流量计的控制器设置多种有线和无线接口，可扩展性能强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的控制原理图。

附图标记：

1-光源，2-石英玻璃管，3-线阵CCD图像传感器，4-第一电磁阀，5-第二电磁阀，6-三通接头，7-控制器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

如图1所示，本实用新型的一种基于线阵CCD的微流量计由光源1、石英玻璃管2、线阵CCD图像传感器3、电磁阀4、电磁阀5、三通6、控制器7构成。

光源1与线阵CCD图像传感器3竖直位于石英玻璃管2两侧，三者所处的平面均平行，电磁阀4和电磁阀5以及石英玻璃管通过三通6及导管连接。控制器7分别连接光源1、线阵CCD图像传感器3、电磁阀4以及电磁阀5。

本实施例的光源1为可见光光源，波长范围480～780nm，光源长度不低于线阵CCD长度，光强度可调；具体采用冷阴极荧光灯管CCFL。

如图2所示，控制器基于FPGA和ARM设计。主要包含FPGA最小系统、ARM最小系统、电源模块、光源驱动模块、通信接口RS-232。光源驱动模块驱动光源1工作，FPGA驱动线阵CCD图像传感器3工作，并处理线阵CCD图像传感器3的输出信号，同时将计算结果发送至ARM。ARM完成流量计算和阀门控制，并通过通信接口与外界通信。本实施例中，通信接口既可为有线通信接口，例如SPI、RS232、RS485等，也可为无线通信接口，例如蓝牙、WiFi等。

测量原理：

液位高度测量原理：由于光在液体和空气中的折射率不同，将均匀的平行光垂直射入石英玻璃管，管内液面位置的光强会有明显变化，对应在线阵CCD中的该像元电荷值会不同，找出该像元的位置即可计算出液位的高度。

流量计算：根据体积流量公式：q＝v/t(式中q为流量，v为容积，t为时间)得知，在Δt时间内计算出玻璃管内液体容积增量Δv即得到这段时间的累积流量。再根据容积公式v＝πr²h(式中v为体积，π为圆周率，r为石英玻璃管内径，h为液面增加高度)得知，π和r均为常数，只要计算Δt时间内石英玻璃管内液面增加高度Δh即可计算出流量。

测量过程：液体流经第一电磁阀4进入流量计，控制器7控制第一电磁阀4导通，同时控制第二电磁阀5闭合，液体通过三通接头6流入石英玻璃管2内，液面逐渐上升。控制器7驱动光源1产生均匀的可见光，光线垂直射入玻璃管内，并在线阵CCD图像传感器3中产生液位图像，线阵CCD图像传感器3将光信号转换为电信号并传送至控制器7，控制器7计算该时刻的液位高度并自动计时，经过Δt时间后再次计算液位高度，从而计算出Δt时间内的累积流量，并通过RS-232、SPI、WiFi、蓝牙等接口将数据传送至其他设备。当石英玻璃管内液位超过测量高度后控制器7打开第二电磁阀5，液体流经第二电磁阀5流出流量计，石英管内的液位开始下降，待液位回落到一定高度后控制器7关闭第二电磁阀5，液位开始上升，继续测量，如此循环。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于线阵CCD的微流量计，其特征在于，该流量计由光源(1)、石英玻璃管(2)、线阵CCD图像传感器(3)、第一电磁阀(4)、第二电磁阀(5)、三通接头(6)和控制器(7)构成；所述光源(1)和线阵CCD图像传感器(3)位于石英玻璃管(2)两侧，且所述光源(1)、线阵CCD图像传感器(3)和石英玻璃管(2)三者所在平面平行；第一电磁阀(4)、第二电磁阀(5)和石英玻璃管(2)通过三通接头(6)及导管连接；所述光源(1)、线阵CCD图像传感器(3)、第一电磁阀(4)和第二电磁阀(5)均与控制器(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于线阵CCD的微流量计，其特征在于，所述控制器(7)包括FPGA、ARM、电源模块、光源驱动模块、通信接口。

3.根据权利要求2所述的一种基于线阵CCD的微流量计，其特征在于，所述光源驱动模块用于驱动光源(1)工作，所述FPGA驱动线阵CCD图像传感器(3)工作，并处理线阵CCD图像传感器(3)的输出信号，同时将计算结果发送至ARM；ARM实现流量计算和阀门控制，并通过通信接口与外界通信。

4.根据权利要求2所述的一种基于线阵CCD的微流量计，其特征在于，所述通信接口采用RS232、SPI、WiFi或蓝牙。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于线阵CCD的微流量计，其特征在于，所述光源(1)为线形可见光光源，波长范围480～780nm，光源长度不低于线阵CCD长度，光强度可调。

6.根据权利要求5所述的一种基于线阵CCD的微流量计，其特征在于，采用冷阴极荧光灯管CCFL。