CN2919189Y

CN2919189Y - 光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统

Info

Publication number: CN2919189Y
Application number: CN 200520010095
Authority: CN
Inventors: 廖强; 赵明富; 朱恂
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2015-10-11

Abstract

光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统，包括：发射、接收光头(D、T)、光学反射棱镜(1)、驱动电路(2)，其特征在于：所述系统还包括电机(5)、电机驱动电路(6)、整形电路(3)、单片机电路(4)、显示电路(7)、显示驱动电路(8)；本实用新型通过单片机控制，并在测量计算算法中采用了两个计数值N₁、N₂的比值，实现液体表面浮油层厚度的直接显示，因此具有在线测量准确、使用方便、直观，可广泛应用于化工、生物、制药、环保等行业，具有良好的应用前景。

Description

光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统

技术领域

本实用新型涉及液体表面油层厚度检测技术，具体涉及用于检测液体表面浮油层厚度的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统。

背景技术

在生物质热解液化法制取生物油的过程中，可采用直接冷凝式换热器冷凝回收气态生物油，但该回收方法的产物是生物油和水的液态混合物，因此存在油水分离问题。在油水分离过程中，对液体表面浮油层厚度进行高精度、实时的在线检测与控制，具有极其重要的意义。目前，油层厚度传统测量方法分为：标尺直接测量法和超声波在线测量技术两大类，标尺直接测量法属于离线测量方法，这种方法测量油层厚度既费时又费力，还必须在分离装置中安装可视的窗口，并且采用离线方法的另一个缺点是不易实施自动化控制。超声波在线测量技术在目前应用广泛，其缺点就是测量精度差，容易受其它因素干扰，抗干扰能力差。本实用新型通过传统光学的方法，将反射能量的变化边沿作为测量的起始点，经过整形电路整形后得到一个用于测量的脉冲，通过测量脉冲宽度就可测的油层的厚度。通过单片机进行数据处理，用显示器直观的显示出蓄电池的容量，测量中通过一个标准的厚度测量与被测厚度的相对比较，消除了放大、计数等环节带来的误差，提高了测量精度。

发明内容

针对上述已有技术存在的缺陷，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种灵敏度高、测量准确、显示直观的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是，光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统，包括：

发射、接收光头：由发射管和接收管组成，

光学反射棱镜：在光学反射棱镜的两端各涂上一条黑色带，并将光学反射棱镜放置在待测溶液中，接收发射管发出的光并将光反射出去；

驱动电路：连接到发射、接收光头，为其提供驱动电压；

所述系统还包括

电机：带动发射、接收光头在支撑架上做匀速往返运动；

电机驱动电路：受单片机电路控制，驱动电机工作；

整形电路：整形电路的输入端连接接收管的输出端，将接收管发出的电信号经过整形电路整形后，得到两个宽度不同的脉冲波形，送到单片机电路；

单片机电路：接收整形电路输出的两个宽度不同的脉冲波形作为计数门限，通过计算得到二个计数值，再通过计算处理后，得到被测浮油层厚度，通过所述单片机电路的输出口将浮油层厚度数据送到显示电路；同时发出驱动信号给电机驱动电路；

显示电路：显示电路的数据输入端与单片机电路的数据输出口端口相连，显示电路接收单片机电路输出的段码数据并将该数据用LED显示；

显示驱动电路：显示驱动电路的输入端分别与单片机电路的输入输出口相连，显示驱动电路的输出端与显示电路的控制端相连。

所述显示驱动电路的输入端分别与单片机电路的其中的4个输入输出口第P2.0端至第P2.4端相连，显示驱动电路的输出端与显示电路的控制端相连，锁存单片机电路以上4个输入输出口第P2.0端至第P2.4端的控制信号，提供4位位选，以实现数据动态显示；所述显示电路的数据输入端与单片机电路的其中8个输出口第P1.0端至第P1.7端相连，接收单片机电路输出的段码数据并将该数据用LED显示。

本实用新型的一个优选方案中，所述整形电路包括逻辑与门。

本实用新型的一个优选方案中，所述整形电路由两级差分放大器A1、A2、比较电路A3、A4、A5、电阻R3至R13、电位器W2至W6、逻辑与门&组成，差分放大器A2的“+”端连接到接收管T的输出并通过电阻R2接地，差分放大器A2的“-”端通过电阻R6与其输出端连接，并通过电阻R4与差分放大器A1的输出端相连，差分放大器A1的“-”端通过电阻R7接地，并通过电阻R3与其输出端连接；所述差分放大器A1的“+”端与电位器W3的动触点相连，电位器W3的一端接地，另一端接电源，同时一个由电位器W2与电阻R5组成的串联电路连接在所述差分放大器A1的“-”端与差分放大器A2的“-”端之间，比较器A3的正端通过电阻R9与电位器W4的动触点相连，电位器W4的一端接地，另一端接电源，比较器A3的“-”端通过电阻R8接差分放大器A2的输出端，比较器A4的“-”端通过电阻R10与电位器W5的动触点相连，电位器W5的一端接地，另一端接电源，比较器A4的“+”端通过电阻R11接差分放大器A2的输出端，比较器A5的“-”端通过电阻R12与电位器W6的动触点相连，电位器W6的一端接地，另一端接电源，比较器A5的“+”端通过电阻R13接差分放大器A2的输出端，比较器A3、A4的输出端接逻辑与门&的输入端，逻辑与门&的输出端接单片机电路的一个输入口P3.2，比较器A5的输出端接单片机电路的另一个输入口P3.3。

本实用新型的一个优选方案中，所述电机驱动电路(6)是高压大电流达林顿晶体管阵列集成电路。

本实用新型所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统的有益效果是，通过单片机控制，实现液体表面浮油层厚度的直接显示，因此具有在线测量准确、使用方便、直观，由于测量计算算法中采用了两个计数值N₁、N₂的比值，这样可消除由于计数时计数值N₁、N₂的单个测量带来的计数误差，同时也可消除由于电机转速不稳定带来的测量误差，因此系统具有较高的测试精度；且反应灵敏、使用寿命长、性能/价格比高、使用寿命长等优点，是一种有很大实用价值的新型浮油层厚度在线测量系统。可广泛应用于化工、生物、制药、环保等行业，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统的电路框图。

图2是本实用新型所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统的电路原理图

图3是本实用新型所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统的三种不同物质的反射电平波形图

图4是本实用新型所述的装入单片机的主程序流程框图。

图5是本实用新型所述的装入单片机的定时中断程序流程框图。

图6是本实用新型所述的装入单片机的外部中断程序流程框图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本实用新型所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统，由发射、接收光头D、T、光学反射棱镜1、驱动电路2、整形电路3、单片机电路4、电机5、电机驱动电路6、显示驱动电路8、显示电路7构成，

其中发射、接收光头D、T由发射管D和接收管T组成；驱动电路2连接到发射、接收光头D、T，为其提供驱动电压；电机带动发射、接收光头D、T支撑架上做匀速往返运动；电机驱动电路6受单片机电路4控制，驱动电机5工作；整形电路3的输入端连接接收管T的输出端，将接收管发出的电信号经过整形电路整形后，得到两个宽度t1、t2不同的脉冲波形，送到单片机电路4；单片机电路4接收整形电路3输出的两个宽度t1、t2不同的脉冲波形作为计数门限，通过计算得到二个计数值N1、N2，再通过计算处理后，得到被测浮油层厚度，通过所述单片机电路的输出口将浮油层厚度数据送到显示电路7；同时发出驱动信号给电机驱动电路6；显示电路7的数据输入端与单片机电路的数据输出口P1.0至P1.7端口相连，显示电路7接收单片机电路4输出的段码数据并将该数据用LED显示；显示驱动电路8的输入端分别与单片机电路4的输入输出口P2.0至P2.3相连，显示驱动电路8的输出端与显示电路7的控制端相连。

本实用新型的一个优选方案中，所述整形电路3是由两级差分放大器A1、A2、比较电路A3、A4、A5、电阻R3至R13、电位器W2至W6、逻辑与门&组成，差分放大器A2的“+”端连接到接收管T的输出并通过电阻R2接地，差分放大器A2的“-”端通过电阻R6与其输出端连接，并通过电阻R4与差分放大器A1的输出端相连，差分放大器A1的“-”端通过电阻R7接地，并通过电阻R3与其输出端连接；所述差分放大器A1的“+”端与电位器W3的动触点相连，电位器W3的一端接地，另一端接电源，通过调整W3而得到不同的基准电平(调零)，使该系统获得不同测量零点，同时一个由电位器W2与电阻R5组成的串联电路连接在所述差分放大器A1的“-”端与差分放大器A2的“-”端之间，通过调整W2可调整差分放大器的放大倍数；比较器A3的正端通过电阻R9与电位器W4的动触点相连，电位器W4的一端接地，另一端接电源，比较器A3的“-”端通过电阻R8接差分放大器A2的输出端，比较器A4的“-”端通过电阻R10与电位器W5的动触点相连，电位器W5的一端接地，另一端接电源，比较器A4的“+”端通过电阻R11接差分放大器A2的输出端，比较器A5的“-”端通过电阻R12与电位器W6的动触点相连，电位器W6的一端接地，另一端接电源，比较器A5的“+”端通过电阻R13接差分放大器A2的输出端，比较器A3、A4的输出端接逻辑与门&的输入端，逻辑与门&的输出端接单片机电路的一个输入口P3.2，比较器A5的输出端接单片机电路的另一个输入口P3.3。

本实用新型的一个优选方案中，所述电机驱动电路6是高压大电流达林顿晶体管阵列集成电路。可以选用ULN2003集成电路。电机可以选用步进电机。

所述单片机电路由单片机、一个振荡电路和一个复位电路组成，在单片机内包括内部程序存储器(ROM)、内部数据存储器RAM、输入/输出口、寻址空间、中断与堆栈、定时器/计数器与寄存器、指令系统、布尔处理器、时钟电路模块。单片机可以选用AT89C51，在单片机内装入图4、图5、图6所示的程序软件；所述振荡电路由晶体Y1与电容C₁和C2构成并联式谐振电路，连接在单片机电路的X1脚与X2脚之间；所述复位电路由电容C3、电阻R23串联组成，电容C3、电阻R23的连接接点连接在单片机电路的RESET脚，电容C3的一端接电源，电阻R23的一端接地；复位电路的作用是使单片机电路和单片机电路系统中的其它部件都处于某一确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

所述显示驱动电路包括4个三极管T1至T4和电阻R24、R25、R26、R27，所述4个三极管的发射极分别接电源，所述4个三极管T1至T4的基极分别与电阻R24、R25、R26、R27的一端相连，所述4个三极管T1至T4的集电极分别接显示电路，所述电阻R24、R25、R26、R27的另一端分别与单片机电路的4个输入输出口第P2.0端至第P2.3端相连；三极管的作用是锁存单片机电路的控制信号，提供4位位选，以实现动态显示。

所述显示电路包括4位LED数码管和限流电阻R15至R22，所述4位LED数码管是TP-5461BH，TP-5461BH是共阳型数码管，所述数码管的阳极分别与显示驱动电路中的4个三极管T1至T4的集电极相连，所述数码管的阴极分别与限流电阻R15至R22的一端相连，限流电阻R15至R22的另一端分别与单片机电路的第P1.0端至第P1.7端口连接；由单片机电路的上述端口提供段选码，当单片机电路的端口中为低电平时，端口对应的段就亮。

所述发射管D1是红外线发射二极管，所述红外线发射二极管的阳极接驱动电路，红外线发射二极管的阴极接地，所述接收管是光敏三极管，所述光敏三极管的集电极接驱动电路，光敏三极管的发射极接整形电路。

所述驱动电路由电阻R1、电位器W1组成，电阻R1与电位器W1串联，电位器W1的一端接电源，电位器W1的另一端接电阻R1，电阻R1的另一端接红外线发射二极管D1的阳极，电位器W1的动触点接光敏三极管的集电极，通过调整W₁可调整红外线发射二极管的发光强度；同样调整W₁可使光敏三极管工作在线性区，从而使该传感器有较高灵敏度和较好的线性特性。

在光学反射棱镜的两端分别涂上一条黑色带，使发射、接收光头D、T在此两端的黑色带上反射能量最小，测量二条黑色带间的最小距离AD，作为该测试系统的标准距离L；选择发射、接收光头为红外发射接收对管，如波长为940nm的发光二极管作为发射管D，选用光敏三极管作为接收管T，将光学反射棱镜1放入待测溶液中并紧贴容器内表面，同时将发射、接收光头D、T固定放置在一个支撑架上9，支撑架垂直于地面放置并与存放光学反射棱镜的容器面靠近，定义液体表面浮油层厚度为BC，当电机5带动发射、接收光头D、T沿支撑架9上下运动时，接收管T接收到的光的反射能量将发生变化：当发射、接收光头D、T运动到平行于A点位置时，接收到的光的反射能量将发生变化，在光学反射棱镜周围的介质将会由黑色物质(几乎无反射)变为水(有一定反射)；当发射、接收光头运动到平行于B点位置时，接收到的光的反射能量又将发生变化，这时光学反射棱镜周围的介质将会由水(有一定反射)变为油(反射情况与水有所不同)；当发射、接收光头运动到平行于C点位置时，接收管接收到的光的反射能量又将发生变化，这时的光学反射棱镜周围的介质将会由水(有一定反射)变为空气(反射情况与水和油都有所不同)，再继续运动，当发射、接收光头运动到平行于D点位置时，接收管接收到的光的反射能量又将发生变化，这时的光学反射棱镜周围的介质将会由空气变为黑色物质，同时，在A、B、C、D位置，接收管输出的电平也会发生变化。

因此发射、接收光头D、T沿支撑架9上下运动时，将会产生如图3所示的输出检测电平，其中，a、b、c是比较电平，d是水反射电平，e是油层反射电平，f是空气反射电平经过整形电路整形后，可得到两个脉冲，其中一个是标准距离AD所产生的脉冲宽度是t₂的脉冲，另一个是被测油层的厚度BC端距离所产生的脉冲宽度为t₁的脉冲，将两个脉冲分别送到单片机的定时/计数器中进行计数，分别会产生计数值N₁、N₂，单片机在程序处理时将依据如下公式计算：

X＝L×N₁÷N₂

其中：X为被测油层厚度；

N₁、N₂分别为发射、接收光头沿支撑架上下运动时，所得到的两个脉冲宽度t₁、t₂所产生的计数值；

L为A、D点之间的距离，为标准距离

因此，在测试中只要得到两个脉冲宽度t₁、t₂所产生的计数值N₁、N₂和事先有一个为标准距离L，就可计算出被测油层厚度X。同时，由于测量计算算法中采用了两个计数值N₁、N₂的比值，这样可消除由于计数时计数值N₁、N₂的单个测量带来的计数误差，同时也可消除由于电机转速不稳定带来的测量误差，可提高系统的测试精度。单片机电路通过图4、图5、图6程序计算处理后，得到被测浮油层厚度，通过P0口将浮油层厚度数据送到数码显示器显示。

Claims

1、光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统，包括：

发射、接收光头(D、T)：由发射管(D)和接收管(T)组成；

光学反射棱镜(1)：在光学反射棱镜的两端各涂上一条黑色带，并将光学反射棱镜放置在待测溶液中，接收发射管发出的光并将光反射出去；

驱动电路(2)：连接到发射、接收光头(D、T)，为其提供驱动电压；

其特征在于：所述系统还包括

电机(5)：带动发射、接收光头(D、T)在支撑架上做匀速往返运动；

电机驱动电路(6)：受单片机电路(4)控制，驱动电机(5)工作；

整形电路(3)：整形电路的输入端连接接收管(T)的输出端，将接收管发出的电信号经过整形电路整形后，得到两个宽度(t1、t2)不同的脉冲波形，送到单片机电路(4)；

单片机电路(4)：接收整形电路(3)输出的两个宽度(t1、t2)不同的脉冲波形作为计数门限，通过计算得到二个计数值(N1、N2)，再通过计算处理后，得到被测浮油层厚度，通过所述单片机电路的输出口将浮油层厚度数据送到显示电路(7)；同时发出驱动信号给电机驱动电路(6)；

显示电路(7)：显示电路(7)的数据输入端与单片机电路的数据输出口(P1.0至P1.7)端口相连，显示电路(7)接收单片机电路(4)输出的段码数据并将该数据用LED显示；

显示驱动电路(8)：显示驱动电路(8)的输入端分别与单片机电路(4)的输入输出口(P2.0至P2.3)相连，显示驱动电路(8)的输出端与显示电路(7)的控制端相连。

2、根据权利要求1所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统，其特征在于：所述整形电路(3)包括逻辑与门(&)。

3、根据权利要求2所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统，其特征在于：所述整形电路由两级差分放大器A1、A2、比较电路A3、A4、A5、电阻R3至R13、电位器W2至W6、逻辑与门&组成，差分放大器A2的“+”端连接到接收管T的输出并通过电阻R2接地，差分放大器A2的“-”端通过电阻R6与其输出端连接，并通过电阻R4与差分放大器A1的输出端相连，差分放大器A1的“-”端通过电阻R7接地，并通过电阻R3与其输出端连接；所述差分放大器A1的“+”端与电位器W3的动触点相连，电位器W3的一端接地，另一端接电源，同时一个由电位器W2与电阻R5组成的串联电路连接在所述差分放大器A1的“-”端与差分放大器A2的“-”端之间，比较器A3的正端通过电阻R9与电位器W4的动触点相连，电位器W4的一端接地，另一端接电源，比较器A3的“-”端通过电阻R8接差分放大器A2的输出端，比较器A4的“-”端通过电阻R10与电位器W5的动触点相连，电位器W5的一端接地，另一端接电源，比较器A4的“+”端通过电阻R11接差分放大器A2的输出端，比较器A5的“-”端通过电阻R12与电位器W6的动触点相连，电位器W6的一端接地，另一端接电源，比较器A5的“+”端通过电阻R13接差分放大器A2的输出端，比较器A3、A4的输出端接逻辑与门&的输入端，逻辑与门&的输出端接单片机电路的一个输入口P3.2，比较器A5的输出端接单片机电路的另一个输入口P3.3。

4、根据权利要求1或2或3所述的光电式液体表面浮油层厚度在线测量系统，其特征在于：所述电机驱动电路(6)是高压大电流达林顿晶体管阵列集成电路。