用于监测蒸发器的样品收集瓶中的液位的系统的制作方法

本实用新型涉及一种用于监测蒸发器的样品收集瓶中的液位的系统，尤其是一种基于CCD或CMOS的液位监测系统。
背景技术：
：目前，水污染问题作为一个突出的环境保护问题日益引起关注。为了保护人类赖以生存的水环境，确保人们饮水卫生，一方面需要对生产和生活中的水质进行检测，另一方面，也须加强对各种生产和生活污水排放的监测。在对水环境进行监测的过程中，通常采用水质检测装置，诸如水质分析仪。在对水质进行监测期间，需要对水质样品进行制备，这种水质样品通常会储存在样品收集瓶中以方便运输和传送。特别是，需要对储存在这种样品收集瓶内的样品的液位进行极为精确且实时的测量。然而，在样品制备过程中，由于可能出现以下几个方面的原因，样品收集瓶中的液位信息的精确获取变得很困难：—假如样品收集瓶被安置在密闭结构（例如机箱）的内部，尤其当收集瓶的瓶身与密闭结构内的加热部件紧密连接时，从结构上讲，难以在机箱外部查看和监控收集瓶中的液体；—样品收集瓶中的液体通常可能涵盖很多种类，而不同种类液体一般具有不同颜色和/或不同密度的物理属性。当样品的成分和参数未知时，这显著增加了对液位准确识别的难度，尤其是单独的光学反射或透射方案也将存在误差；—样品收集瓶的瓶身上可能存在印刷或粘贴的标识（便于实验人员识别样品），但这很可能会阻挡收集瓶内的内部液面的位置，进而可能影响光学液位检测传感器，从而造成误判；—由于不同用户的应用需求，样品收集瓶本身也可能存在不同尺寸和颜色，常见的尺寸有：例如2ml，10ml，20ml，而常见的颜色例如是透明的，琥珀色等；—在尤其是小型的样品收集瓶（例如仅2ml的收集瓶）的情况下，对于其内液位的检测所要用到的检测手段应有很高的灵敏度和准确度，但这一要求限制了如电容感应技术的应用。因此，在生物医药领域中，尤其是在线水质分析仪或样品制备过程中，始终存在这样的需求，即提供一种实时的且低成本的样品采集瓶的液位检测，特别是可以在在线过程中随时读取样品采集瓶的液位。技术实现要素：本实用新型提供一种用于监测蒸发器的样品收集瓶中的液位的系统，该系统包括：发光单元，该发光单元用于照亮位于该样品收集瓶中的液体；感光单元，该感光单元用于接收经过该样品收集瓶的光并对其进行成像。该系统还包括转动体，多个样品收集瓶布置在该转动体上以能随其公转，以在监测位置和非监测位置之间运动，而该发光单元和该感光单元能分别分配给该多个样品收集瓶中处于该监测位置的至少一个样品收集瓶，用于监测该至少一个样品收集瓶中的液位。借助该转动体，可以对多个样品收集瓶同时监测液位，以提高实验效率。例如，当该至少一个样品收集瓶保持在该监测位置时，该至少一个样品收集瓶能设置成相对于位置固定的该感光单元进行自转。或者，当该至少一个样品收集瓶保持在该监测位置时，该感光单元能设置成围绕位置固定的该至少一个样品收集瓶进行转动。这在对样品收集瓶内的液位进行监测时，可以形成灵活的布置方式，降低系统性成本。该系统还包括用于驱动样品收集瓶自转的旋转机构，该旋转机构由旋转电机驱动，并能同时带动该多个样品收集瓶中处于该监测位置的所有样品收集瓶一起旋转。由此，能以紧凑的结构来实现对多个样品收集瓶中的液位的同时监测。优选地，发光单元布置在该样品收集瓶的下方并且与瓶底间隔开，该发光单元从该瓶底向该样品收集瓶照射光，而该感光单元则布置在该样品收集瓶的一侧上。由此，该发光单元可以从样品收集瓶的瓶底向样品收集瓶（例如，向上）照射光，以获得更好的成像效果，并且可以排除一部分的误差。特别有利的是，该系统还包括：预判单元，该预判单元构造成在对该样品收集瓶进行液位监测之前收集该样品收集瓶的标志信息，并能根据所收集到的该标志信息来设定该发光单元发出的光照强度，其中，该标志信息包括该样品收集瓶的颜色信息，瓶底位置信息，尺寸信息等。借助这种用于监测蒸发器的样品收集瓶中的液位的系统，可以实现基于样品收集瓶的这些标志信息来设定发光单元的光照强度，从而对各种不同的样品收集瓶（颜色，瓶底位置，尺寸等）均能进行高效且高精度的成像。此外，该系统还可以包括图像识别单元，该图像识别单元包括扫描读码模块，以获取设置在该样品收集瓶上的标记的位置信息，基于该位置信息，该样品收集瓶能相对于该感光单元旋转一角度，使得该标记不阻碍该感光单元对经过该样品收集瓶的光的接收。有利地，可以借助一个扫描读码模块同时完成液位监测和追踪样品收集瓶两个功能，由此可以大幅节约成本，提高试验效率。特别是，该系统还可以包括信噪比确定单元，该信噪比确定单元能从该感光单元的输出信息中提取底噪，并且由此计算信噪比，从而基于计算出的信噪比对由该发光单元发出的光照强度进行反馈调节。可选地，在实时的液位监测过程中，由此充分考虑样品收集瓶内的液体颜色/密度的不同，根据对光强进行反馈调节，感光单元的输出信号的信噪比达到阈值，且无过曝光。有利地，本实用新型还提供用于限制环境光从而提高成像效果的多种装置。例如，在样品收集瓶与发光单元之间可以布置有匀光板，在匀光板上设置有透光孔，透光孔与样品收集瓶的瓶底对准，且透光孔的直径小于或等于瓶底的直径。还例如，在透镜与感光元件之间可以布置有透光狭缝，透光狭缝由彼此间隔开的两块挡光板构成，以沿样品收集瓶的宽度方向限制环境光的干扰。优选地，该感光单元包括透镜和感光元件，该透镜面向该样品收集瓶布置，经过该透镜的光在该感光元件上成像。由此，能以简单的结构来实现成像功能。此外，还可以在该样品收集瓶的与该感光单元相对的另一侧上布置有背光源，以从该另一侧照亮该样品收集瓶。由此，可以将样品收集瓶的瓶侧均匀照亮，从而更好地提示出深色液位所在的位置，有利于感光单元的成像捕获。附图说明通过以下结合附图的详细描述，本实用新型的其他特征和优点将变得显而易见，其中：图1示意性地示出根据本实用新型的一个实施例的用于监测样品收集瓶中的液位的系统的各个部件之间的连接关系图；图2示意性地示出根据本实用新型的一个实施例的在监测样品收集瓶中的液位之前的准备步骤的流程图，在此，该准备步骤包含预判单元设定光照强度的步骤；图3示意性地示出根据本实用新型的一个实施例的用于监测样品收集瓶中的液位的系统的转动体的立体图；图4示意性地示出根据本实用新型的一个实施例的用于监测样品收集瓶中的液位的系统的多个部件的细节图（例如样品收集瓶）的局部剖视图；图5示意性地示出根据本实用新型的一个实施例的用于监测样品收集瓶中的液位的系统的多个部件的细节图，例如设置在样品收集瓶的与感光单元相对的另一侧上的背光源。应注意参考的附图并非都一定是按比例绘制的，附图不应被解释为限制性的。具体实施方式在本实用新型的含义下，术语“样品收集瓶”是指用于容纳各类型的样品，主要是液体样品（例如，待在线监测的水样）的容器。但可以理解到，“收集瓶”的作用并不仅限于对样品进行“收集”，而是只要接纳/容纳/储备样品的容器（无论是否开口或密封）都属于本实用新型的“样品收集瓶”的范围内。在本实用新型中，样品收集瓶主要涉及蒸发器的样品收集容器。另外，样品收集瓶内的样品一般并不是完全充满该收集瓶的，即通常样品收集瓶内实际上还包括除了液体样品之外的其它流体，主要是气体，例如是空气。在本实用新型中，术语“液位”或者“液位信息”可以是指例如以毫升为单位的体积信息，而不仅仅是液面距离瓶底的高度信息（这被不同地称为“液面位置”）。此外，根据本实用新型的监测样品收集瓶中的液位的系统100可以不仅用于监测液位，而且也可以实现其它预定功能（例如但不限于水质在线检测、分析、报告等）。也就是说，本实用新型的系统100可以是独立的一个监测液位的系统，但也可以与其它系统或设备集成在一起。根据本实用新型的液位监测原理，需要使光照亮位于样品收集瓶中的样品，在液体样品与样品收集瓶中液体上方的空气或其他气体之间由于介质变化而存在光斑，然后使经过该样品收集瓶的光成像，由此获悉样品收集瓶中的样品液位高度。为此，如图1中所示，待监测的一个样品收集瓶10示例性地位于本实用新型的用于监测样品收集瓶10中的液位的系统内，并且该系统包含用于照亮位于样品收集瓶10中的液体的发光单元20以及用于接收经过样品收集瓶10的光并对其进行成像的感光单元。在此，根据本实用新型的术语“发光单元”可以包括光源，例如是可见光光源，但还可包括除了光源的其它部件（例如，在图1中示出的反射层24）。根据本实用新型的术语“感光单元”则可包括用于成像的任何构件以及用于优化成像效果的任何构件，例如图5中所示的CCD或CMOS类型的图像传感器42等。为了使得液位的监测更为精确，本实用新型的用于监测样品收集瓶10中的液位的系统还包括用于可调节（例如，预先调节，实时调节）发光单元20的光照强度的机制。例如，这种预先调节可针对空瓶进行。具体而言，本实用新型的系统可包括一种预判单元40，该预判单元40构造成在对样品收集瓶10进行液位监测之前收集/获取样品收集瓶10的标志信息，并根据所收集到的标志信息（将其作为输入信息）来设定发光单元20发出的光照强度（通常，在一定范围内）。可以理解到，本实用新型的发光单元20例如包括可以调节其光照强度的调节元件（在图中并未示出）。另外，可以理解到，预判单元40对标志信息的“收集”可以借助其它装置来完成。例如，预判单元40可以构造成借助感光单元（即感光单元对空的收集瓶成像）来获取空的样品收集瓶10的标志信息（即对空的收集瓶进行拍照，具体参见图2）此外，还可以理解到，本实用新型的系统可以在由预判单元调节光照强度之前先规定一个初始值。然后，预判单元根据收集到的标志信息对光照强度进行调节。可以理解到，在正式开始液位监测后，还可以根据收集瓶内的液体状况对光照强度进行实时（精细）调节。在本实用新型中，术语“标志信息”是指可以标志出一个或多个样品收集瓶10的信息，尤其是物理/化学信息，而并不是指一般瓶身上贴有的“标贴”信息。在较佳的实施例中，标志信息可以是物理参数，尤其是那些易于获得且能立即在不同个体/批次之间识别出的信息，例如是样品收集瓶10的颜色信息，样品收集瓶10的尺寸信息（例如，瓶宽）及其瓶底位置信息等。在此情况下，可以基于样品收集瓶10的这些标志信息来设定发光单元20的光照强度（例如，如前文所述经由调节元件来设定光照强度）。如图2中所示，在正式开始液位监测之前，通过收集到的样品收集瓶的颜色信息以及收集瓶底位置信息和尺寸信息（例如，可以对空瓶进行拍照）来由预判单元设定光照强度。在光照强度经调节后，可选地可以利用图像识别单元来识别在该收集瓶上是否存在标贴，进而转动到不被标贴等阻碍的位置，从而进入“液位监测准备”阶段。在一个有利的实施例中，如图3中所示，用于监测样品收集瓶10中的液位的系统可以包括转动体120，该转动体120通常构造为水平放置的转动台，该转动台能围绕一轴线（例如，竖直轴线）转动。多个样品收集瓶10可以布置在（例如固定地安装在）该转动体120上，因而能随该转动体120一起转动。较佳地，样品收集瓶10相对于该转动体120布置在其最外围的周缘上。还在图3中可见，同样沿该转动体120的周缘（尤其是在离开转动体120的转动轴线距离最远的部分上）布置的还有对应多个蒸发容器90或者其它储液筒，例如十六个蒸发容器90或者其它储液筒，这些蒸发容器90可以彼此相邻，甚至几乎邻接布置。蒸发容器90或储液筒和样品收集瓶10的数目可与转动体120的尺寸，监测频率以及期望的间隔角度有关。蒸发容器90或储液筒与样品收集瓶10彼此相连，尤其是彼此流体连通。优选地，蒸发容器90或储液筒具有比样品收集瓶10的体积大得多的体积。此外，样品收集瓶10可以较佳地布置在这些储液筒的正下方，如图4-5中更清楚所示。在图3的实施例中，每十六个蒸发器构成一个圆圈，每个蒸发器可以包含一个前述蒸发容器90，一个前述样品收集瓶10以及可选的加热器。较佳地，这十六个蒸发器均能绕自身的中心轴线（通常为竖直轴线）转动。为了清楚区分不同的转动，在本实用新型中，可以将转动体120的这种转动称为样品收集瓶10的“公转”，这是为了与样品收集瓶10围绕其自身轴线的转动进行区分，即样品收集瓶10围绕其自身轴线的转动可被称为“自转”。通过使多个样品收集瓶10布置在转动体120上以能随其公转，各个样品收集瓶10能在监测位置和非监测位置之间运动。可以设计成为多个样品收集瓶10中的至少一个或者通常是一些（例如，四个）分别配套有一组前述发光单元20和感光单元（例如，CCD或CMOS图像传感器）。每组发光单元20和感光单元可以提供一个监测位置，例如提供四个这样的监测位置。当样品收集瓶10经由转动体120公转到这些监测位置时，每组发光单元20和感光单元正好与样品收集瓶10的位置相对应，即可以实现前述对样品收集瓶10内的液位的监测，并且可以实现对发光单元20发出的光照强度的设定。可以理解到，这些监测位置并不一定要大致对应于相邻的样品收集瓶10的空间位置，而是可以每隔一个或多个样品收集瓶10的位置设计有一个监测位置。但优选的是，这些监测位置尽可能集中地分布，由此有利于整个系统的空间布局的紧凑性。当样品收集瓶10经由转动体120公转时，它们就转动到一个监测位置或者离开监测位置转动到非监测位置或者转动到下一个监测位置。在图3中所示的示例性四个液位监测位置，可以同时对四个蒸发器的样品收集瓶10进行液位监测和扫描读码（下文将进一步阐释该功能）。但应理解到，设置液位监测位置的数目是不限于四个的，可以是一个、两个、三个、五个、六个、甚至更多个。在一些有利的实施例中，样品收集瓶10可以借助马达带动进行自转。例如，转动体120还可设有摩擦轮，该摩擦轮由马达驱动转动，并且该摩擦轮可以与样品收集瓶（主要是其侧面）直接接触，由此驱动其自转。可以理解到，当液位监测位置为多个且彼此间距不大，例如彼此相邻时，马达可以只驱动一个摩擦轮，而该摩擦轮可以覆盖运动到多个液位监测位置的样品收集瓶10的范围。由此，摩擦轮可以同时驱动多个样品收集瓶10进行自转，从而提高了监测效率。继续参照图1，发光单元20优选地布置在样品收集瓶10的下方，尤其是其正下方，但与样品收集瓶10的瓶底间隔开。由此，该发光单元20可以从样品收集瓶10的瓶底向样品收集瓶10（即图1中所示向上）照射光。在一些实施例中，在前述预判单元40的设定/控制/调节之下，发光单元20的光源发出的光通量可以借助调节元件例如在0-10lm（流明）的范围内进行调节，但不限于此范围。为了使发出的光线分布更为均匀，如图4中所示，在光源和样品收集瓶10之间还可以布置有匀光板22。该匀光板22较佳地设计成包含透光孔，该透光孔在匀光板22上布置在与样品收集瓶10的瓶底位置正好对应之处（即透光孔与瓶底彼此对准），且透光孔的尺寸和形状较佳地与瓶底的尺寸和形状相当（或者略小于瓶底的尺寸）。因此，光源可以均匀地照亮瓶底，而不产生额外的环境光，从而有利于提高光斑成像精度以及由此液位监测的精度。本实用新型的感光单元优选地位于样品收集瓶10的侧面，即处于与样品收集瓶10的一侧对应且间隔开一定距离的位置。有利地，在样品收集瓶10与该感光单元之间，尤其是在透镜（如果设置有透镜的话）与感光元件30之间（如图1中所示）还设有透光狭缝34，这种透光狭缝例如可以由彼此间隔开的两块挡光板构成（但具体结构不限于此），以沿样品收集瓶10的宽度方向限制环境光的干扰。但也可以理解到，透光狭缝34也可以设置在透镜与收集瓶之间。在图4所示的实施例中，例如采用CCD作为感光元件30，在该感光元件30和样品收集瓶10之间可选地采用透镜32（例如，凸透镜）进行聚光，该透镜32与感光元件30以及与样品收集瓶10（以2ml为例）的某一刻度（例如1ml刻度）共轴。凸透镜的焦距例如可以是15厘米，示例性的焦距与物距以及像距之间的关系可以参见下表。在此实施例中，用于产生透光狭缝的两块挡光板的间距大致为CCD成像区域的两倍。表1：焦距与物距和像距之间的示例性关系透镜d物体d成像d物体＋d成像焦距＝20mm26mm86.7mm112.7mm焦距＝15mm19.5mm65mm85mm焦距＝10mm13mm43.3mm56.3mm如前所述，借助预判单元40，经由调节元件可使光源针对标志信息向样品收集瓶10发出照射光（例如，以实现不同颜色收集瓶的兼容）。在一些实施例中，样品收集瓶10的例如颜色的标志信息并不能直接由预判单元40读取，而是先由固定光强的光源对样品收集瓶10进行照射，由于不同颜色的样品收集瓶10的感光效果不同，在感光元件30上的成像光强不同，再根据储存在数据库（例如，在系统的计算机）中的数据判断出样品收集瓶10的瓶色，例如是否是透明的还是琥珀色的样品收集瓶10。对于生物实验室来说，样品收集瓶10的瓶色往往不会是无限多的，而是可以预先储存在数据库中，以方便后续预判单元40进行判断。更有利的是，用于监测样品收集瓶10中的液位的系统还包括信噪比确定单元。该信噪比确定单元能从感光单元的输出信息中提取底噪，并且由此计算信噪比，从而基于计算出的信噪比对由发光单元20发出的光照强度进行反馈调节。尤其是在实时的液位监测过程中，这样做可以充分考虑样品收集瓶10内的液体颜色/密度的不同，根据对光强进行反馈调节，感光单元的输出信号的信噪比达到阈值，且无过曝光。当成像单元实施成CCD时，提取底噪的一种可能的方式可以是：先找到信号序列的峰值和突变程度超过阈值（该阈值可以预先确定）的点，将这些突变区域用一定宽度的窗口剪切掉，然后推定剩下部分为均匀的噪声，最后求其平均。信噪比的计算就是用信号峰值除以平均底噪。至此，可选地借助信噪比确定单元，可以获得可靠的样品收集瓶10的成像信息。随后，与系统的控制器（例如，图5中所示的微处理器MCU）关联的液位计算单元可以通过各种算法对成像信息进行处理，例如采用滤波，平滑，寻峰，干扰剔除等算法，获得样品收集瓶10中液面距离瓶底的高度信息。最终，可以结合样品收集瓶10的容积规格信息来输出液位信息。在一些实施例中，本实用新型的用于监测样品收集瓶10中的液位的系统还可以包括图像识别单元50，该图像识别单元50包括扫描读码模块，以获取设置在样品收集瓶10上的标记的位置信息。基于这种位置信息，样品收集瓶10能相对于感光单元旋转一角度（例如借助旋转机构80），使得标记不阻碍感光单元对经过样品收集瓶10的光的接收。在本实用新型的含义下，扫描读码模块所扫取的码可以是各种形式的标记，例如但不限于条形码，二维码等。此外，除了通过获取位置信息而减少瓶子上的标记对光的阻碍之外，该扫描读码模块还可以直接读取样品收集瓶10上的例如标记该瓶的标志信息，例如含ID标志的二维码，以便于在试验的整个过程中追踪样品收集瓶10。由此，在本实用新型中，可以借助一个扫描读码模块（例如，呈传感器的形式）就能同时完成液位监测和追踪样品收集瓶10这两个功能，由此可以大幅节约成本，提高试验效率。例如，在首次载入样品收集瓶10的情况下（但也可以是在液位监测程序中），当样品收集瓶10旋转到某个位置触发了该扫描读码模块的识别功能时，该模块可以将读码信息（包含该码本身的信息和/或该码在样品收集瓶10的瓶侧上的位置信息/角度信息）返回给系统的控制器或计算机，然后该控制器控制样品收集瓶10与感光单元的相对（角度）位置，例如（经由受控制的步进电机70或其它驱动构件）使样品收集瓶10转动到与其瓶侧上的码或标签的对立位置（但不限于该位置，只要有效避开码或标签的遮挡即可），随后再开始执行液位监测程序。在如图5中所示的实施例中，在发光单元20从瓶底照射光的情况下，为了兼顾到深色收集瓶内的深色液体，可以在样品收集瓶10的背向感光单元的一侧上设置可选的背光源26，即在感光单元的相对侧上设置可选的背光源26。优选地，该背光源26也可以包含位于它与样品收集瓶10之间的匀光板22，由此将样品收集瓶10的瓶侧均匀照亮，从而更好地提示出深色液位所在的位置，有利于感光单元的成像捕获。在本实用新型中，发光单元20、感光单元、背光源26、样品收集瓶10、转动体120、传感器等各个装置均可以与系统的控制器进行通信连接，以对它们进行控制（光强、位置、角度等）和/或信息反馈，以用于后续数据处理或其它进一步的试验用途。如前所述，当至少一个样品收集瓶10保持在监测位置时，该样品收集瓶10可以设置成相对于位置固定的感光单元进行自转。但在另一些实施例中，当至少一个样品收集瓶10保持在所述监测位置时，感光单元也可以替代地设置成围绕位置固定的至少一个样品收集瓶10进行转动。例如，包含前面根据图3所描述的蒸发容器90和样品收集瓶10在内的蒸发模块整体在监测液位过程中可以保持不变，而感光单元可以借助其它运动机构围绕样品收集瓶10的侧面进行旋转（在此为公转，而非感光单元的自转），以旋转到合适的相对位置再进行成像。又例如，呈套筒形式的传感器装置也可以从底部升上来并且环绕样品收集瓶10。呈套筒形式的传感器装置可以围绕中心轴线旋转，随之内部的摄像头对样品收集瓶10的侧壁可进行整周的成像，进而可排除标签等干扰，从而读取到液位和/或扫描到二维码。由于在此情况下，仍需要使用发光单元20（主要是可调节的光源）从样品收集瓶10的瓶底打光，因而可升降的套筒结构需要携带发光单元20一起运动。这种呈套筒形式的传感器装置主要优点在于可以对待测的样品收集瓶10整体成像，这利于算法处理和减少误判；传感器装置在不使用的时候可以有利地下降到较低位置，不阻碍蒸发模块本身的运动；在结构上可以更节省蒸发模块的排布空间，即相邻蒸发模块可离得更近；例如16通道可以采用四行四列排列，而不是围成一圈，因而整体占用面积小。尽管在各附图中参照了用于在线水质检测仪的样品收集瓶10的液位监测的实例来描述了本实用新型的各实施例，但应当理解到，本实用新型的范围内的实施例还可以应用到具有相似结构和/或功能的其它液位监测的场合（例如工业领域）中，尤其是可以应用到生物医疗领域中。前面的描述已经给出了许多特征和优点，包括各种替代的实施方式，以及系统和装置的结构和功能的细节。本文的意图是示例性的，并不是穷尽性的或限制性的。当前第1页1 2 3