一种液位监测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及监测技术领域，更具体的涉及一种液位监测装置，其特征在于，包括液位监测端、校正数据输入模块和液位监控器（2）。所述液位监测端包括压力监测器（1）和空心管（100），所述压力监测器（1）包括一壳体（101），所述壳体（101）内设有一密闭气室（103），所述密闭气室（103）与所述空心管（100）相连通；所述密闭气室（103）内设有压力传感器（104），所述压力传感器（104）用于检测密闭气室（103）内的气压。所述液位监控器（2）用于显示液位信息。本实用新型通过空心管并配合数字滤波算法可较好地滤除液面波动对液位测量的影响，避免了传感器直接与被测液体接触，较好地解决了农药或助剂对传感器的腐蚀和污染问题。此外，在使用中基本上不需要在液面上方留空，整套装置体积小、重量轻、功耗低，非常适用于农用植保无人机药箱这样的小型容器的液位监测。
【专利说明】
一种液位监测装置
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及监测技术领域，更具体的涉及一种液位监测装置。
【背景技术】
[0002]农用植保无人机将无人直升机技术施药技术相结合，具有尺寸小、无需专用机场、操控灵活、可在田间地头起降、下洗气流可提升靶标着药效果等优点，非常适用于中、小田块的病虫害防治或大田块局部精准施药，目前越来越受到社会各界的关注。
[0003]药箱是农用植保无人机的作业关键部件，在作业过程中，药箱中的药量是动态变化的，如何根据药箱的药量调整农用植保无人机的飞行操控策略，是地面飞控手时刻关注的重要信息。特别是在超视距飞行和自动驾驶飞行作业中，药箱药量与电池电量的优化搭配、药箱药量用尽后的断点续航等，更需要精确掌握药箱药量信息，否则容易出现频繁起降、电池损耗大、作业效率低下和漏喷等不利现象。
[0004]药箱液位的监测是获得药箱中药量信息的方法之一。农用植保无人机作业过程中，药箱液位的测量有如下特点:
[0005]1、农用植保无人机作业过程中，阵风等环境因素干扰、地头调头等特殊工况较多，在这些特殊工况出现时，药液由于惯性作用，其行驶方向和垂直方向受力都比较大，产生震荡效应，因此液面易出现较剧烈的波动；
[0006]2、植保作业对象的多样性，决定了农药或助剂的多样性，而不同类型的农药或助剂导致药箱中液体的浓度、粘度、导电特性等理化特性各异；
[0007]3、农用植保无人机载荷有限使得农用植保无人机药箱结构非常紧凑，液面上方留空非常少，且药箱的体积通常较小，同时也要求使用的液位监测装置不宜过大和过重，且功耗要非常小；
[0008]4、农药或助剂通常都具有一定腐蚀性，要求液位监测装置具有一定的抗腐蚀和抗污染能力。
[0009]近年来，随着科技的发展，液位检测技术也向着检测速度更快、检测精度更高、检测装置的使用寿命更长、检测装置的性价比更好的方向发展。现有可考虑用于农用植保无人机药箱液位监测的装置主要有差压式液位测量、浮体式液位测量、电容式液位测量、电极式液位测量、超声波液位测量、激光液位测量、光电式液位测量等方式，但上述测量方式各有优缺点，较难满足农用植保无人机药箱液位监测的需要，分析如下:
[0010]差压式液位测量的原理是根据测量到的液柱的重量间接反映液位，常用于常温常压且精度要求不高的场合的液位监测。缺点:(I)取样系统复杂，连接管路长，阀门较多，易堵塞或泄露；(2)由于变送器感应的是微差压，任何轻微泄露，都将严重影响液位测量，而对于真空系统，轻微的泄漏往往不易被察觉；(3)投用时麻烦，须在变送器引压管中注满水或等水蒸气凝结充满引压管后才能准确投用；(4)测量的综合误差较大，变送器测量微差压的精度有限，再加上取样管路中液柱的不稳定等因素致使实际测量的综合误差较大。
[0011]浮体式液位测量主要分为浮筒式与浮子式两种，其中钢带浮子式液位传感器是浮体式液位测量中最常见的类型，它由一根不锈钢管和一个空心球组成，不锈钢管内部装有若干个干簧继电器，空心球内装有一块永磁铁，当空心球随着液位上下运动时，磁铁作用于继电器，从而产生相应的液位信号。该方式结构简单，成本低。但由于钢丝绳与滑轮间存在滑动摩擦力，回位误差较大，特别是在钢丝绳和滑轮生锈的情况下，回位误差更大甚至失效。浮体式液位测量一般用于静止固定的水箱液位测量。
[0012]超声波液位测量是由微处理器控制的一种非接触式液位测量方式。在测量中，由传感器(换能器)发出脉冲超声波，超声波经液体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号，通过声波的发射和接收之间的时间差来计算传感器到被测物体之间的距离。该方式的优点包括:可实现非接触测量，能用于腐蚀性液体、高粘性液体、有毒性液体等液位的测量。但超声波液位测量方式也有许多局限:I)必须用于能充分反射声波且传播声波的对象，不宜用于含气泡和含固体颗粒的液体中；2)超声波的传播速度受传播介质的密度、压力、温度等因素影响，例如密闭容器内挥发性液体的液位测量，由于容器内气体声速可能与空气中的声速不同，从而带来较大的测量误差，要实现较高的精度，需要对测量方法进行相对较复杂的修正，从而提高了测量装置的成本;3)挥发性的液体会在超声波探头表面凝结，阻挡声波的收发，影响测量精度，严重时造成失效;4)超声波液位测量中，在发射超声波脉冲时，不能同时检测反射回波，而且发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，同时发射完超声波后传感器还有余振，期间不能检测反射回波，因此从探头表面向下开始的一小段距离无法正常检测，这段距离是超声波测量时存在固有的盲区，通常测量盲区为0.25m~0.Sm，被测的最高物位如进入盲区，仪表将不能正确检测，因此，超声波传感器的安装位置与被测液面之间需保持一段距离，进行加高安装，而且无障碍物，此外，对于液面剧烈波动的液体，超声波测量时时，易与液体接触，造成超声波模块不能正常工作。超声波液位测量方式适用于液面较为平稳、液面上方留空较多的测量场合。
[0013]激光液位测量方式与超声波液位测量方式类似，属于非接触式液位测量方式，采用激光测距的原理对液面位置进行探测也存在与超声波液位测量方式类似局限，例如:激光发射和接收部件的最前端到被测容器的外表面最小距离为0.5米以上;激光光束在物料表面的反射点应该是没有波纹，涟漪和反射物;对于液面剧烈波动的液体，易造成激光探测头污染而失效等。
[0014]电容式液位测量方式根据被测量容器电容的变化来测量液面的高度。其测量原理如下:一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极；两电极间的介质即为液体及其上面的气体，通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。该测量方式具有结构简单、安装方便、成本低等特点。但该测量方式在实际应用中存在如下局限:I)必须确保容器中两电极间介质的介电常数恒定才能保证电容式液位测量方式的准确度，因此，当容器中液体晃动或出现气泡时，易产生虚假液位信息而影响测量准确度;2)金属棒电极要有绝缘层覆盖，且与容器的距离必须保证相对固定，否则会出现测量不稳定现象;3)若被测量液体是粘性的液体，当由于晃动使液位由高到低回落的时候，粘性的液体会在测杆上面留下残液，形成挂料层，由于液位计无法自动识别挂料层的存在，挂料层的电容量也会计入代表液面高度的总体电容量中，造成虚假液位，给液位测量带来很大误差。
[0015]电极式液位测量方式是利用液体的导电特性将导电液体的液面升高与电极接通视为电路的开关闭合，该信号传给后续处理电路，从而获得液位信息，该测量方式属于点液位测量。该测量方式的优点是结构简单、成本低。但由于电极式液位测量方式是分段的开关量输出，测量的液位数据点数与电极的个数相关，无法获得连续的液位变化信息;此外，使用电极式液位测量方式的前提条件是液体导电且不容易被电引燃，进一步使该测量方式在许多应用场合受到限制。
[0016]光电式液位测量方式基于光学全反射和折射原理，采用光电信号进行液位测量。测量装置包含一个近红外发光二极管和一个光敏接收器，发光二极管所发出的光被导入传感器顶部的透镜。当透镜没有接触液体时，发光二极管发出的光直接从透镜接近全反射回接收器；当液体浸没光电液位测量装置的透镜时，光折射到液体中，从而使接收器收不到或只能接收到少量光线;光电液位测量装置根据该变化，，判断传感探头是否接触到液面，驱动相应的控制电路动作，例如控制步进电机的运动方向，从而带动传感探头跟踪液面的变化，实现液位信息的测量。如果上述光信号采用光纤作为传输媒介，又称为光纤液位测量方式。该测量方式具有抗电磁干扰、适用于易燃易爆环境等特点，但不能用于探测易在探头表面形成粘着物的液体的液位，此外，由于需要额外的探头驱动装置，带来了整个监测装置的重量、体积和复杂度增加等问题。
【实用新型内容】
[0017]本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种适用于植保无人机药箱的液位监测装置。
[0018]为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下:
[0019]—种液位监测装置，其特征在于，包括液位监测端，液位监测端包括压力监测器和空心管，所述压力监测器包括一壳体，所述壳体内设有一密闭气室，所述密闭气室与所述空心管相连通;所述密闭气室内设有压力传感器，所述压力传感器用于检测密闭气室内的气压。
[0020]进一步的，作为优选技术方案，还包括校正数据输入模块，所述压力监测器还包括电源模块一、存储器模块一、微型控制模块一和通信模块一，所述微型控制模块一分别与压力传感器、校正数据输入模块、存储器模块一和通信模块一相连;电源模块一用于给压力监测器供电;通信模块一用于压力监测器的数据输入和输出。
[0021]进一步的，作为优选技术方案，还包括液位监控器，所述液位监控器包括电源模块二、显示模块、通信模块二、存储器模块二、微型控制模块二;所述微型控制模块二分别与显示模块、通信模块二和存储器模块二相连;电源模块二用于给液位监控器供电;通讯模块二用于液位监控器的数据输入和输出;所述通信模块一与通信模块二通讯连接。
[0022]进一步的，作为优选技术方案，所述校正数据输入模块包括空箱校正键和满箱校正键;空箱校正键用于向微型控制模块一提供压力传感器提供液位处于空箱状态时传感器的标准值;满箱校正键用于向微型控制模块一提供压力传感器提供液位处于满箱状态时传感器的标准值；
[0023]校正数据输入模块安装于液位监测端或安装于液位监控器，安装于液位监测端时，校正数据输入模块直接与微型控制模块一连接;安装于液位监控器时，校正数据输入模块二与微型控制模块二连接，空箱校正键和满箱校正键对液位监测端的操作指令通过通信模块一与通信模块二传送至微型控制模块一。
[0024]微型控制模块一根据上述标准值对压力监测器输出的液位数据进行修正。
[0025]进一步的，作为优选技术方案，所述液位监控器还包括报警模块，所述报警模块与微型控制模块二连接。
[0026]进一步的，作为优选技术方案，所述通信模块一与通信模块二是串口通讯模块或蓝牙模块或无线W1-Fi或无线数传模块，或是其中两种无线通讯模块的组合。
[0027]进一步的，作为优选技术方案，所述液位监控器还包括复位模块，用于通信模块一与通信模块二连接异常时进行通信重连。
[0028]农用植保无人机作业过程中，药箱液位的测量有如下特点:I)农用植保无人机作业过程中，阵风等环境因素干扰、地头调头等特殊工况较多，在这些特殊工况出现时，药液由于惯性作用，其行驶方向和垂直方向受力都比较大，产生震荡效应，因此液面易出现较剧烈的波动;2)植保作业对象的多样性，决定了农药或助剂的多样性，而不同类型的农药或助剂导致药箱中液体的浓度、粘度、导电特性等理化特性各异;3)农用植保无人机载荷有限使得农用植保无人机药箱结构非常紧凑，液面上方留空非常少，且药箱的体积通常较小，同时也要求使用的液位监测装置不宜过大和过重，且功耗要非常小;4)农药或助剂通常都具有一定腐蚀性，要求液位监测装置具有一定的抗腐蚀和抗污染能力。
[0029]与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是:
[0030]I)本实用新型通过空心管将液面变化引起的气压变化引入到密闭气室内，采用气压间接测量液位的变化，液位波动时，空心管内的液体受到空心管壁的约束，波动较小，同时配合数字滤波算法可较好地滤除液面波动对液位测量的影响，经试验，液位波动时液位信息输出稳定可靠(如图5所示)，较好地解决了农用植保无人机作业中液面易出现较剧烈的波动而影响液位测量的问题。
[0031]2)由于本实用新型采用空心管间接测量液位的变化，将液面变化引起的气压变化引入到密闭气室内，再由气压传感器进行测量，该方法避免了传感器直接与被测液体接触，较好地解决了不同类型的农药或助剂导致药箱中液体的浓度、粘度、导电特性等理化特性各异的问题，此外，空心管可选用空心碳纤维管，有较强的抗腐蚀和抗污染能力，较好地解决了农药或助剂对传感器的腐蚀和污染问题。
[0032]3)本实用新型在使用中基本上不需要在液面上方留空，且采用的传感器、处理器和壳体均可微型封装，体积小、重量轻、功耗低，非常适用于农用植保无人机药箱这样的小型容器的液位监测。
[0033]综上，本实用新型可较好地解决现有液位监测装置中机械结构复杂、装置庞大、安装不便、成本过高、通用性能差等问题，同时还为需要进行远程液位监测的场所提供了一种可行，高效率的解决方案。
【附图说明】
[0034]图1为液位监测端的平面结构示意图。
[0035]图2为液位监测端沿B-B线的剖视图。
[0036]图3为实施例1、例2液位监控器的结构示意图。
[0037]图4为数字滤波算法流程图。
[0038]图5和图6为液面波动时液位监测端数字滤波前后气压数据比较图。
[0039]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件;附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
[0041 ] 实施例1
[0042]如附图1-3所示，本实施例的液位监测装置包括液位监测端、校正数据输入模块和液位监控器2;液位监测端包括压力监测器I和空心管100;压力监测器包括一壳体101;壳体101内设有一密闭气室103，密闭气室103与空心管100相连通，空心管100未连接的一端为自由端，自由端与被监测容器的空箱位置水平线齐平，空心管100的连接端不低于被监测容器的满箱位置水平线;密闭气室103内设有压力传感器104，压力传感器104用于检测密闭气室103内的气压。
[0043]压力监测器I还包括电源模块一105、存储器模块一108)、微型控制模块一106和通信模块一 102，微型控制模块一 106分别与压力传感器104、校正数据输入模块、存储器模块一108和通信模块一 102相连；电源模块一 105用于给压力监测器I供电；通信模块一 102用于压力监测器I的数据输入和输出。
[0044]液位监控器2包括电源模块二202、显示模块201、通信模块二 203、存储器模块二207、微型控制模块二 208;微型控制模块二 208分别与显示模块201、通信模块二 203和存储器模块二207相连；电源模块二用于给液位监控器2供电；通讯模块二203用于液位监控器2的数据输入和输出。
[0045]在压力传感器104的选择中，本实施例采用14BA型微型压力传感器，该微型压力传感器带有SPI和12C两种接口。
[0046]校正数据输入模块采用按键实现，按键设置如下:
[0047]“空”键:用于提供液位处于空箱状态时传感器在当前环境条件下的标准值；
[0048]“满”键:用于提供液位处于满箱状态时传感器在当前环境条件下的标准值。
[0049]操作人员可以通过按键输入来确定空箱时密闭气室103内的气压压强有效值Pl和满箱时密闭气室103内的气压压强有效值P2。
[0050]电源模块一105和电源模块二 202均采用AMSl 117系列稳压芯片。微型控制模块一106和微型控制模块二 208均选择STM32微处理器，该处理器具有USB、CAN、7个定时器、2个ADC、9个通信接口。通信模块一 102和通信模块二203均选用WIFI232模块(适用于联网监测)，该模块发射效率高，谐波小，对外界设备的射频干扰极低，不易受到其他设备的干扰，有很好的工作稳定性。存储器模块一 108和存储器模块二 207均选用串行电可擦除存储芯片24C02，该芯片基于I2C-BUS的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点。显示模块201选用高亮LED。空心管100选用碳纤维管。
[0051 ] 实施例2
[0052]区别于实施例1，本实施例中，压力传感器104采用5611型气压传感器，该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位Σ模数转换器(工厂校准系数)，外形尺寸为5.0毫米X 3.0毫米X 1.0毫米;通信模块一 102和通信模块二203均选用2.4G工业级无线数传模块(适用于超视距数据传输)，该模块支持跳频模式，具有极强的抗干扰能力，当工作在定频模式下时，具有极低的接收电流(4.5mA)，传输距离最远达到2.4千米，适合作为药箱超视距液位监测数据的传输。
[0053]上述实施例1和实施例2中液位监测装置的使用方法如下:
[0054]液位数据修正阶段(初次安装液位监测装置或环境条件变化出现误差时):
[0055]S1.在容器的合适位置安装液位监测装置，使空心管100的自由端与被监测容器的空箱位置水平线齐平，并避免堵塞;空心管100的连接端不低于被监测容器的满箱位置水平线。
[0056]S2.液位监测端和液位监控器2上电后，按下空箱校正键，通过微型控制模块一106对压力传感器104提供的处于空箱状态时传感器的标准值进行多次采样，由数字滤波算法计算出的空箱情况下密闭气室103中压强有效值记为Pl并存储。
[0057]S3.在容器中添加液体，直至满箱状态，按下满箱校正键，通过微型控制模块一106对压力传感器104提供的处于满箱状态时传感器的标准值进行多次采样，由数字滤波算法计算出满箱情况下密闭气室103中压强有效值记为P2并存储。
[0058]液位监测阶段:
[0059]S4.压力监测器I通过压力传感器104实时监测密闭气室103内的气压，多次采样传感器的值，由数字滤波算法计算出密闭气室103中压强有效值记为P3;S5.计算气压P3与Pl之间的气压差，即ΛΡ=Ρ3-Ρ1 ；
[ΟΟ?Ο] S6.通过气压差ΛΡ计算液位剩余量，计算公式为:液位剩余量(百分比)=ΛΡ/(P2-P1)；
[0061]S7.液位监测端通过通信模块一 102将液位剩余量(百分比)输出或发送通信模块二203，通信模块二 203通过微型控制模块二 208控制显示模块201显示液位剩余量(百分比)，并通过报警模块206适时给出报警信息。
[0062]如图4所示，上述实施例中采用的数字滤波算法有如下步骤:
[0063]Q1:压力监测器I通过压力传感器104连续采样密闭气室103内的13个气压数据；
[0064]Q2:去掉13个数据中的最大值和最小值；
[0065]Q3:计算剩下11个数据的算术平均数作为压强有效值。
[0066]图5和图6是当药箱中液面发生波动时，采用上述数字滤波算法前后液位监测端输出的气压数据比较图。从图中可以看出，经过数字滤波算法处理后的液位数据的极差从80mbar下降为4 mbar，标准差从6.39下降为0.85，变异系数从0.36%下降为0.049%。因此，本实施例在应对药箱液面波动的工况时，仍能稳定可靠地输出液位信息。
[0067]显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种液位监测装置，其特征在于，包括液位监测端，液位监测端包括压力监测器(I)和空心管(100)，所述压力监测器包括一壳体(101)，所述壳体(101)内设有一密闭气室(103)，所述密闭气室(103)与所述空心管(100)相连通;所述密闭气室(103)内设有压力传感器(104)，所述压力传感器(104)用于检测密闭气室(103)内的气压。2.根据权利要求1所述的液位监测装置，其特征在于，还包括校正数据输入模块，所述压力监测器(I)还包括电源模块一(105)、存储器模块一(108)、微型控制模块一(106)和通信模块一(102)，所述微型控制模块一(106)分别与压力传感器(104)、校正数据输入模块、存储器模块一(108)和通信模块一(102)相连；电源模块一(105)用于给压力监测器(I)供电;通信模块一 (102)用于压力监测器(I)的数据输入和输出。3.根据权利要求2所述的液位监测装置，其特征在于，还包括液位监控器(2)，所述液位监控器(2)包括电源模块二 (202)、显示模块(201)、通信模块二 (203)、存储器模块二 (207)、微型控制模块二( 2 O 8);所述微型控制模块二( 2 O 8)分别与显示模块(2 OI )、通信模块二(203)和存储器模块二(207)相连；电源模块二(202)用于给液位监控器(2)供电；通讯模块二 (203)用于液位监控器(2)的数据输入和输出； 所述通信模块一(102 )与通信模块二 (203)通讯连接。4.根据权利要求2所述的液位监测装置，其特征在于，所述校正数据输入模块包括空箱校正键和满箱校正键;空箱校正键用于向微型控制模块一(106)提供压力传感器(104)提供液位处于空箱状态时传感器的标准值;满箱校正键用于向微型控制模块一(106)提供压力传感器(104)提供液位处于满箱状态时传感器的标准值； 校正数据输入模块安装于液位监测端或安装于液位监控器(2)，安装于液位监测端时，校正数据输入模块直接与微型控制模块一(106)连接;安装于液位监控器(2)时，校正数据输入模块二 (204)与微型控制模块二 (208)连接，空箱校正键和满箱校正键对液位监测端的操作指令通过通信模块一(104)与通信模块二 (203)传送至微型控制模块一(106); 微型控制模块一(106)根据上述标准值对压力监测器(I)输出的液位数据进行修正。5.根据权利要求1所述的液位监测装置，其特征在于，所述液位监控器(2)还包括报警模块(206)，所述报警模块(206)与微型控制模块二 (208)连接。6.根据权利要求3所述的液位监测装置，其特征在于，所述通信模块一(102)与通信模块二 (203)是串口通讯模块或蓝牙模块或无线W1-Fi或无线数传模块，或是其中两种无线通讯模块的组合。7.根据权利要求1所述的液位监测装置，其特征在于，所述液位监控器(2)还包括复位模块(205)，用于通信模块一(102)与通信模块二 (203)连接异常时进行通信重连。
【文档编号】G01F23/14GK205607488SQ201620243058
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】周志艳, 姜锐, 罗锡文, 宋灿灿, 张昌桢, 李克亮
【申请人】华南农业大学