非接触式液位测量系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种非接触式液位测量系统和方法，合页3侧壁垂直固定样品管夹持臂一端，所述样品管夹持臂另一端设置夹持端头，所述夹持端头紧固夹持样品管1，所述合页3右扇叶21安装光发射腔体6，所述合页3左扇叶20安装CCD接收腔体14，所述CCD接收腔体14后端由CCD接收腔体后盖板封盖，防止产生漏光；所述光发射腔体6夹持样品管一侧面板中部为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设光发射腔体出射准直狭缝8，所述CCD接收腔体14夹持样品管一侧面板中部也为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设CCD接收腔体入射准直狭缝16。
【专利说明】非接触式液位测量系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及自动化领域，尤其涉及一种非接触式液位测量系统和方法。
【背景技术】
[0002]液体工质在容器内的高度及高度随时间的变化是很多工作中必须监测/检测的重要技术参量。液位测量的方法和技术已经有很多，大体可以分为接触式和非接触式两大类。非接触式测量方法由于与液体工质不直接接触，其优势是不言而喻的。光波、超声波甚至放射性同位素等都是非接触式液位测量常用的手段。但是在实现过程中需要由不透光的非接触液位测量装置进行测量，这需要相应的精密仪器进行准确测量，这正是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0003]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种非接触式液位测量系统。
[0004]为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种非接触式液位测量系统，其关键在于，包括光发射腔体6和CCD接收腔体14，所述光发射腔体6具有光发射腔体出射准直狭缝8，所述CCD接收腔体14具有CCD接收腔体入射准直狭缝16，当非接触式液位测量系统工作时，光发射腔体6内发光体发出的光线经过光发射腔体出射准直狭缝8，经过CCD接收腔体入射准直狭缝16这条光路进入CCD接收腔体14被CCD接收，样品管处于所述光路上且光线以平行于样品管母线的方向通过所述样品管。
[0005]上述技术方案的有益效果为:通过光发射腔体6和CXD接收腔体14能够夹持样品管，结构紧凑小巧，便携性强，自动化程度高，安装和拆卸容易，具有广泛的适用性，室内或者户外均可以使用；非接触测量方式，适合高压、易燃易爆、高毒性和纯度要求高的工作场合的液位检测。
[0006]所述的非接触式液位测量系统，优选的，包括:样品管夹持臂、夹持端头、合页3、光发射腔体6、CCD接收腔体14、CCD接收腔体后盖板15、光发射腔体出射准直狭缝8、CCD接收腔体入射准直狭缝16 ；
[0007]合页3侧壁垂直固定样品管夹持臂一端，所述样品管夹持臂另一端设置夹持端头，所述夹持端头紧固夹持样品管1，所述合页3右扇叶21安装光发射腔体6，所述合页3左扇叶20安装CCD接收腔体14，所述CCD接收腔体14后端由CCD接收腔体后盖板封盖，防止产生漏光；所述光发射腔体6夹持样品管一侧面板中部为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设光发射腔体出射准直狭缝8，所述CCD接收腔体14夹持样品管一侧面板中部也为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设CCD接收腔体入射准直狭缝16。
[0008]上述技术方案的有益效果为:通过光发射腔体出射准直狭缝8、CCD接收腔体入射准直狭缝16对样品管液位进行检测，保证了检测的准确性的同时，防止光线散射，偏射。
[0009]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述样品管夹持臂包括:样品管上夹持臂2、样品管下夹持臂9、上夹持臂锁紧螺丝4、下夹持臂锁紧螺丝10、上套管28、下套管29 ；
[0010]所述夹持端头包括:样品管上部锁紧螺丝5、样品管下部锁紧螺丝11、上夹持端头12和下夹持端头13 ；
[0011]所述样品管上夹持臂2外部过盈套接入上套管28 —端，所述上套管28侧壁开设螺纹孔，上夹持臂锁紧螺丝4拧入螺纹孔，所述上夹持臂锁紧螺丝4外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧上套管28与样品管上夹持臂2，所述上套管28另一端固定上夹持端头12，在上夹持端头12侧壁开设螺纹孔，样品管上部锁紧螺丝5拧入螺纹孔，所述样品管上部锁紧螺丝5外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧上夹持端头12与样品管I ;
[0012]所述样品管下夹持臂9外部过盈套接入下套管29 —端，所述下套管29侧壁开设螺纹孔，下夹持臂锁紧螺丝10拧入螺纹孔，所述下夹持臂锁紧螺丝10外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧下套管29与样品管下夹持臂9，所述下套管29另一端固定下夹持端头13，在下夹持端头13侧壁开设螺纹孔，样品管下部锁紧螺丝11拧入螺纹孔，所述样品管下部锁紧螺丝11外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧下夹持端头13与样品管I。
[0013]上述技术方案的有益效果为:上述装置用于锁紧样品管，同时保证样品管上下垂直于底面，保证测量准确。
[0014]所述的非接触式液位测量系统，优选的，还包括:防光线遮蔽挡片7 ；
[0015]所述光发射腔体6在安装合页的另一端侧板的边缘处安装防光线遮蔽挡片7，或者在所述CCD接收腔体14在安装合页的另一端侧板的边缘处安装防光线遮蔽挡片7，所述防光线遮蔽挡片7沿侧板边缘处探出边缘，将所述光发射腔体6和CCD接收腔体14对合状态的缝隙遮住。
[0016]上述技术方案的有益效果为:通过防光线遮蔽挡片7的遮挡作用，将光发射腔体和CCD接收腔体14之间的缝隙遮挡，使外界的光线无法射入，从而保证测量的准确性。
[0017]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述合页3包括:校准孔23、第一校准螺钉26、第二校准螺钉27 ；
[0018]所述合页3左扇叶20和合页3右扇叶21分别开设N个校准孔23，由第一校准螺钉26和第二校准螺钉27穿入所述校准孔23拧入侧板，根据样品管I的直径调整第一校准螺钉26、第二校准螺钉27，使所述光发射腔体6和CCD接收腔体14顺利接收光反馈数据，所述N彡2。
[0019]上述技术方案的有益效果为:在光发射腔体和CCD接收腔体所安装合页的一侧都设置校准孔和校准螺钉，从而能够根据样品管直径的大小，轻松调整光发射腔体和CCD接收腔体之间夹持的缝隙宽度。
[0020]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述光发射腔体6包括:光发射电路板17，
[0021]所述CXD接收腔体14包括:线阵(XD18和CXD接收电路板19 ；
[0022]所述光发射电路板17安装于所述光发射腔体6内部，由光发射电路板17发射光信息穿过光发射腔体出射准直狭缝8，所述CCD接收腔体14的线阵CCD18排列在CCD接收腔体入射准直狭缝16处，接收光信息数据，线阵CCD连接CCD接收电路板19 ；
[0023]所述CXD接收电路板19包括:前端驱动数据采集模块AFE、FPGA、数据传输接口、控制模块；
[0024]所述前端驱动数据采集模块AFE连接线阵CCD，接收线阵CCD传输的光信息数据，完成模拟CCD图像信号的双采样及AD转换；所述前端驱动数据采集模块AFE另一端连接FPGA,所述FPGA连接数据传输接口和控制模块。
[0025]上述技术方案的有益效果为:通过上述电路的设计，从而通过电子光学的方式精确测量样品管液位，从而降低了人工测量的误差，保证测量的准确性。
[0026]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述凹槽形状包括:梯形或半圆形。
[0027]上述技术方案的有益效果为:设置为梯形的凹槽保证光发射腔体和CXD接收腔体更好的夹持样品管，设置为半圆形是为了保证凹槽和样品管样品管紧密贴合，增加摩擦系数保证光发射腔体和CCD接收腔体夹持的样品管不易脱落。
[0028]本发明还公开一种非接触式液位测量方法，其关键在于，包括如下步骤:
[0029]步骤1，对非接触式液位测量系统的线阵CCD和CCD接收电路板进行初始化，开始测量样品管液位；
[0030]步骤2，打开光发射电路板，通过光发射腔体的光发射腔体出射准直狭缝对样品管液位进行照射，穿过样品管的光信息照射到CCD接收腔体入射准直狭缝处的线阵CCD，由线阵CCD对光信息强度进行判断；
[0031]步骤3，根据光信息强度判断样品管液位高度，对液位进行M次测量，获得样品管液位绝对高度值，所述M > 3。
[0032]上述技术方案的有益效果为:通过上述方法准确测量液位高度，数据处理快速，帧率可调，数据输出内容可选择配置。
[0033]所述的非接触式液位测量方法，优选的，所述步骤2包括:
[0034]步骤2-1，在由线阵CXD对光信息强度进行判断时，配置线阵CXD的开始寄存器中的开始位置为高位；
[0035]步骤2-2，对线阵CCD所采集的光信息强度进行中断程序判断，将前段驱动数据采集模块进行中断触发，模拟光信息信号转化为数字光信息信号，传输到FPGA进行高度运笪
ο
[0036]上述技术方案的有益效果为:将模拟信号转化为数字信号，保证FPGA进行准确的高度运算。
[0037]所述的非接触式液位测量方法，优选的，所述步骤3包括:
[0038]步骤3-1，采集的液位高度值在FPGA中进行液位高度运算；
[0039]步骤3-2，将采集的光信息帧数据对应的像元进行加和平均；
[0040]步骤3-3，对相邻像元灰度值做差，并存储该差值到数组中；
[0041]步骤3-4，找到灰度差值最大的位置，得到最初的样品管液位所处的位置；
[0042]步骤3-5，重复步骤3-2至步骤3_4，求取M组数据，进行求平均，得到样品管液位绝对高度值。
[0043]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
[0044]I结构紧凑小巧，便携性强，自动化程度高，安装和拆卸容易，具有广泛的适用性，室内或者户外均可以使用；
[0045]2非接触测量方式，适合高压、易燃易爆、高毒性和纯度要求高的工作场合的液位检测；
[0046]3低功耗，可以采用多种方式供电，电池、光伏、市电均可；
[0047]4数据处理快速，帧率可调，数据输出内容可选择配置；
[0048]5具有无线数据传输能力，可以现场采集检测数据，也可以通过无线发射系统远程传输；
[0049]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0051]图1是本发明非接触式液位测量系统整体示意图；
[0052]图2是本发明非接触式液位测量系统一侧示意图；
[0053]图3是本发明非接触式液位测量系统切面剖视示意图；
[0054]图4是本发明非接触式液位测量系统俯视示意图；
[0055]图5是本发明非接触式液位测量系统切面示意图；
[0056]图6是本发明非接触式液位测量系统检测电路示意图；
[0057]图7是本发明非接触式液位测量方法流程图；
[0058]图8是本发明非接触式液位测量方法静态检测流程图；
[0059]图9是本发明非接触式液位测量方法动态检测流程图；
[0060]图10是本发明非接触式液位测量系统的实验示意图；
[0061]图11是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0062]图12是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0063]图13是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0064]图14是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0065]图15是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0066]图16是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0067]图17是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0068]图18是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图；
[0069]图19是本发明非接触式液位测量系统的电路示意图。
【具体实施方式】
[0070]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0071]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0072]在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0073]如图1-5所示，本发明提供了一种非接触式液位测量系统，其关键在于，包括光发射腔体6和CCD接收腔体14，所述光发射腔体6具有光发射腔体出射准直狭缝8，所述CCD接收腔体14具有CCD接收腔体入射准直狭缝16，当非接触式液位测量系统工作时，光发射腔体6内发光体发出的光线经过光发射腔体出射准直狭缝8，经过CCD接收腔体入射准直狭缝16这条光路进入CCD接收腔体14被CCD接收，样品管处于所述光路上且光线以平行于样品管母线的方向通过所述样品管。
[0074]上述技术方案的有益效果为:通过光发射腔体6和CXD接收腔体14能够夹持样品管，结构紧凑小巧，便携性强，自动化程度高，安装和拆卸容易，具有广泛的适用性，室内或者户外均可以使用；非接触测量方式，适合高压、易燃易爆、高毒性和纯度要求高的工作场合的液位检测。
[0075]所述的非接触式液位测量系统，优选的，包括:样品管夹持臂、夹持端头、合页3、光发射腔体6、CCD接收腔体14、CCD接收腔体后盖板15、光发射腔体出射准直狭缝8、CCD接收腔体入射准直狭缝16 ；
[0076]合页3侧壁垂直固定样品管夹持臂一端，所述样品管夹持臂另一端设置夹持端头，所述夹持端头紧固夹持样品管1，所述合页3右扇叶21安装光发射腔体6，所述合页3左扇叶20安装CCD接收腔体14，所述CCD接收腔体14后端由CCD接收腔体后盖板封盖，防止产生漏光；所述光发射腔体6夹持样品管一侧面板中部为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设光发射腔体出射准直狭缝8，所述CCD接收腔体14夹持样品管一侧面板中部也为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设CCD接收腔体入射准直狭缝16。
[0077]上述技术方案的有益效果为:通过光发射腔体出射准直狭缝8、CCD接收腔体入射准直狭缝16对样品管液位进行检测，保证了检测的准确性的同时，防止光线散射，偏射。
[0078]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述样品管夹持臂包括:样品管上夹持臂
2、样品管下夹持臂9、上夹持臂锁紧螺丝4、下夹持臂锁紧螺丝10、上套管28、下套管29 ；
[0079]所述夹持端头包括:样品管上部锁紧螺丝5、样品管下部锁紧螺丝11、上夹持端头12和下夹持端头13 ；
[0080]所述样品管上夹持臂2外部过盈套接入上套管28 —端，所述上套管28侧壁开设螺纹孔，上夹持臂锁紧螺丝4拧入螺纹孔，所述上夹持臂锁紧螺丝4外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧上套管28与样品管上夹持臂2，所述上套管28另一端固定上夹持端头12，在上夹持端头12侧壁开设螺纹孔，样品管上部锁紧螺丝5拧入螺纹孔，所述样品管上部锁紧螺丝5外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧上夹持端头12与样品管I ;
[0081]所述样品管下夹持臂9外部过盈套接入下套管29 —端，所述下套管29侧壁开设螺纹孔，下夹持臂锁紧螺丝10拧入螺纹孔，所述下夹持臂锁紧螺丝10外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧下套管29与样品管下夹持臂9，所述下套管29另一端固定下夹持端头13，在下夹持端头13侧壁开设螺纹孔，样品管下部锁紧螺丝11拧入螺纹孔，所述样品管下部锁紧螺丝11外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧下夹持端头13与样品管I。
[0082]上述技术方案的有益效果为:上述装置用于锁紧样品管，同时保证样品管上下垂直于底面，保证测量准确。
[0083]所述的非接触式液位测量系统，优选的，还包括:防光线遮蔽挡片7 ；
[0084]所述光发射腔体6在安装合页的另一端侧板的边缘处安装防光线遮蔽挡片7，或者在所述CCD接收腔体14在安装合页的另一端侧板的边缘处安装防光线遮蔽挡片7，所述防光线遮蔽挡片7沿侧板边缘处探出边缘，将所述光发射腔体6和CCD接收腔体14对合状态的缝隙遮住。
[0085]上述技术方案的有益效果为:通过防光线遮蔽挡片7的遮挡作用，将光发射腔体和CCD接收腔体14之间的缝隙遮挡，使外界的光线无法射入，从而保证测量的准确性。
[0086]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述合页3包括:校准孔23、第一校准螺钉26、第二校准螺钉27 ；
[0087]所述合页3左扇叶20和合页3右扇叶21分别开设N个校准孔23，由第一校准螺钉26和第二校准螺钉27穿入所述校准孔23拧入侧板，根据样品管I的直径调整第一校准螺钉26、第二校准螺钉27，使所述光发射腔体6和CCD接收腔体14顺利接收光反馈数据，所述N彡2。
[0088]上述技术方案的有益效果为:在光发射腔体和CCD接收腔体所安装合页的一侧都设置校准孔和校准螺钉，从而能够根据样品管直径的大小，轻松调整光发射腔体和CCD接收腔体之间夹持的缝隙宽度。
[0089]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述光发射腔体6包括:光发射电路板17，
[0090]所述CXD接收腔体14包括:线阵(XD18和CXD接收电路板19 ；
[0091]所述光发射电路板17安装于所述光发射腔体6内部，由光发射电路板17发射光信息穿过光发射腔体出射准直狭缝8，所述CCD接收腔体14的线阵CCD18排列在CCD接收腔体入射准直狭缝16处，接收光信息数据，线阵CCD连接CCD接收电路板19 ；
[0092]所述CXD接收电路板19包括:前端驱动数据采集模块AFE、FPGA、数据传输接口、控制|吴块；
[0093]所述前端驱动数据采集模块AFE连接线阵CCD，接收线阵CCD传输的光信息数据，完成模拟CCD图像信号的双采样及AD转换；所述前端驱动数据采集模块AFE另一端连接FPGA,所述FPGA连接数据传输接口和控制模块。
[0094]上述技术方案的有益效果为:通过上述电路的设计，从而通过电子光学的方式精确测量样品管液位，从而降低了人工测量的误差，保证测量的准确性。
[0095]所述的非接触式液位测量系统，优选的，所述凹槽形状包括:梯形或半圆形。
[0096]上述技术方案的有益效果为:设置为梯形的凹槽保证光发射腔体和CXD接收腔体更好的夹持样品管，设置为半圆形是为了保证凹槽和样品管样品管紧密贴合，增加摩擦系数保证光发射腔体和CCD接收腔体夹持的样品管不易脱落。
[0097]本发明还公开一种非接触式液位测量方法，其关键在于，包括如下步骤:
[0098]步骤1，对非接触式液位测量系统的线阵CCD和CCD接收电路板进行初始化，开始测量样品管液位；
[0099]步骤2，打开光发射电路板，通过光发射腔体的光发射腔体出射准直狭缝对样品管液位进行照射，穿过样品管的光信息照射到CCD接收腔体入射准直狭缝处的线阵CCD，由线阵CCD对光信息强度进行判断；
[0100]步骤3，根据光信息强度判断样品管液位高度，对液位进行M次测量，获得样品管液位绝对高度值，所述M > 3。
[0101]上述技术方案的有益效果为:通过上述方法准确测量液位高度，数据处理快速，帧率可调，数据输出内容可选择配置。
[0102]所述的非接触式液位测量方法，优选的，所述步骤2包括:
[0103]步骤2-1，在由线阵CCD对光信息强度进行判断时，配置线阵CCD的开始寄存器中的开始位置为高位；
[0104]步骤2-2，对线阵CCD所采集的光信息强度进行中断程序判断，将前段驱动数据采集模块进行中断触发，模拟光信息信号转化为数字光信息信号，传输到FPGA进行高度运笪
ο
[0105]上述技术方案的有益效果为:将模拟信号转化为数字信号，保证FPGA进行准确的高度运算。
[0106]所述的非接触式液位测量方法，优选的，所述步骤3包括:
[0107]步骤3-1，采集的液位高度值在FPGA中进行液位高度运算；
[0108]步骤3-2，将采集的光信息帧数据对应的像元进行加和平均；
[0109]步骤3-3，对相邻像元灰度值做差，并存储该差值到数组中；
[0110]步骤3-4，找到灰度差值最大的位置，得到最初的样品管液位所处的位置；
[0111]步骤3-5，重复步骤3-2至步骤3-4，求取M组数据，进行求平均，得到样品管液位绝对高度值。
[0112]如图6所示，液位测量头为A:(XD接收头；B:液位测量主控制板；C:数据处理中心，其中数据处理中心为远端服务器或者便携式设备等，数据处理中心完成位移数据的读取、存储、处理。数据读取的方式，可选择无线或有线等多种方式；
[0113]主控板结构说明:
[0114]测量控制主板，由前端驱动数据采集模块AFE、S0PC运算处理单元FPGA、数据传输接口、阀门控制4个部分组成。
[0115]其中AFE，完成模拟CXD图像信号的相关双采样及AD转换；
[0116]如图11所示为CXD测量头工作的基本电路，线阵CXDT⑶1703与CXD驱动信号缓冲器和CCD电信号输出电路相连,其中第一电容Cl和第二电容C2并联,所述第二电容一端连接电源12V另一端接地，所述第一电容Cl 一端连接线阵CXD的OD端另一端连接SS端。
[0117]如图12、13所示，为CXD电信号输出电路，完成C⑶串行电荷到电压信号的转换，其与线阵CCD和AFE相连，其中第一电阻Rl —端连接电源，另一端连接CCD电信号输出电路OSl输出端，所述第一电阻Rl另一端还连接第一晶体管Ql发射极，所述第一晶体管Ql基极连接第三电阻R3 —端，所述R3另一端连接CXD电信号输出电路OSl输入端，所述第一晶体管Ql集电极连接第五电阻R5 —端，所述第五电阻R5另一端接地；所述第二电阻R2 —端连接电源，另一端连接CCD电信号输出电路0S2输出端，所述第二电阻R4另一端还连接第二晶体管Q2发射极，所述第二晶体管Q2基极连接第四电阻R4 —端，所述R4另一端连接(XD电信号输出电路0S2输入端,所述第二晶体管Q2集电极连接第六电阻R6 —端,所述第六电阻R6另一端接地。
[0118]如图14、15所示，为C⑶驱动信号缓冲器74HC245，用于完成驱动信号电平的转换，其与线阵CXD和CXD电信号输出电路相连，其中CXD驱动信号缓冲器包括第一 CXD驱动信号缓冲器IC2和第二 CCD驱动信号缓冲器IC3，其中第一 CCD驱动信号缓冲器VCC端连接第三电容C3 —端和第四电容C4 一端，所述C3和C4的另一端接地，第二 CXD驱动信号缓冲器VCC端连接第五电容C5 —端和第六电容C6 —端，所述C5和C6的另一端接地。
[0119]如图17所示，为前端驱动数据采集模块AFEAD9943，用于完成CCD输出信号的双采样和模数转换，其中前端驱动数据采集模块AFE与CCD电信号输出电路和主控芯片FPGAC0N44相连，其中，CXD电信号输出电路OSl和0S2输出端连接前端驱动数据采集模块AFE的第十三电容C13 —端，所述C13另一端连接前端驱动数据采集模块AFE的CXD输入端，所述第十一电容Cl I和第十二电容C12并联之后，一端接地，Cl I另一端连接前端驱动数据采集模块AFE的REFB端，C12另一端连接前端驱动数据采集模块AFE的REFT端，第十六电容C16和第十七电容C17并联之后，一端分别接地和前端驱动数据采集模块AFE的AVSS端，另一端分别连接前端驱动数据采集模块AFE的AVDD端和3.3v电源端，第十八电容C18一端分别连接3.3v电源端和前端驱动数据采集模块AFE的DRV端，另一端接地，第十九电容C19 一端分别连接3.3v电源端和前端驱动数据采集模块AFE的DRD端，另一端接地。
[0120]如图16所示，为承载FPGA的主板DIP34*2:
[0121]FPGA，内嵌①noisll内核和多种用户逻辑，包括②C⑶驱动时序产生逻辑、③AFE中相关双采样时序及输出时序产生逻辑、④图像帧数据同步时序产生逻辑、⑤并行图像数据采集存储逻辑、⑥液位信息或图像输出模块、⑦阀门开关控制。逻辑②-⑤封装在前端驱动采集模块内(如下图6)，本模块为自行开发的逻辑IP。
[0122]如图18所示，为FPGA的核心板，内部包括CXD驱动信号模块和数据处理模块，其通过主板和线阵CXD与CXD驱动信号缓冲器、AFE模块等相连。
[0123]如图19所示，为通信接口 MAX3232CSE，其与FPGA和上位机相连，其中RS232DB9连接通信接口，第十五电容C15 —端连接通信接口 Cl+端，所述第十五电容C15另一端连接Cl-端,第十四电容一端连接3.3v电源,另一端连接通信接口 V+端,第二十六电容C26 —端连接通信接口 C2+端，第二十六电容C26另一端连接C2-端，第二十七电容C27 —端接地，C27另一端连接通信接口 V-端，第二十三电容C23 —端接地，另一端连接通信接口 VCC端，第十四电阻R14 —端连接通信接口 Tinl端，另一端连接发光二极管TXD负极，所述发光二极管TXD正极连接电源3.3v,第十五电阻R15 —端连接Routl端，另一端连接发光二极管RXD负极，所述发光二极管RXD正极连接电源3.3v。
[0124]如图7所示，步骤I，对非接触式液位测量系统进行初始化，
[0125]初始化任务:
[0126]1.AFE 配置
[0127]2.初始化数据存储数组或地址
[0128]3.CXD驱动模块寄存器初始化
[0129]4.软件系统其它初始化；
[0130]步骤2，开始进行液位测量，配置(XDSTART寄存器中的start位为高，
[0131]步骤3，按照预定算法计算当前液位分界面位置；
[0132]提取边界像元编号，计算绝对液位高度；输出液位高度信息。
[0133]静态测量流程:
[0134]测量启动后，静态液位测量会经历3个阶段，如图8，分别是①前端液位模拟信息采集转换，②FPGA中液位数据搬移存储，③FPGA中算法运行得到液位高度信息。在FPGA中乒乓RAM的协助下，①和②可以部分并行执行。①②过程完成后，执行③过程处理。
[0135]以上图8单次测量为例，具体说明静态液位测量工作流程。样品管中液位信息被前端传感器测量头探测后，会以高速串行方式输出模拟视频信号，输出速率大小决定于前端传感器测量头的工作频率，假设工作频率为1MHz，那么每Ius就会输出一个视频信号。本液位测量装置配备的传感器是TCD1703C，包含7500个有效视频信号单元，平均分成两个视频接口并行输出，因此全部信号输出需要3.75ms。每个视频信号经过模拟前端器件被转换成1bit数字信号，到此完成测量的第一阶段处理。第二阶段开始，将其中一个视频接口的3750个数字视频数据存储到FPGA的内嵌乒乓RAM中，乒乓RAM深度512，当乒乓RAM中的一个RAM存储满后，FPGA中前端驱动数据采集模块会触发中断输出到n1s核，nois核接收到中断后读取存储已满RAM中的视频数据并存储，接下来转换的数据存储到另一个RAM中，重复此过程，直到完成3750个数据的搬移存储。第三阶段重点是运行液位算法运算得到液位高度信息。
[0136]动态测量流程:
[0137]动态测量流程与静态测量流程类似，不同的是，如果连续重复静态测量，就可得到液位的变化信息，对于样品管中液位变化信息的管理和应用可以获得工业过程状态信息。动态液位测量包含4个阶段:①前端液位模拟信息采集转换，②FPGA中液位数据搬移存储，③FPGA中算法运行得到液位高度信息，④液位控制。如图9。
[0138]如图10所示，为非接触式液位测量系统所检测的波形图，根据光线的强度确定液位的高度。
[0139]本发明的有益效果:
[0140]I结构紧凑小巧，便携性强，自动化程度高，安装和拆卸容易，具有广泛的适用性，室内或者户外均可以使用；
[0141]2非接触测量方式，适合高压、易燃易爆、高毒性和纯度要求高的工作场合的液位检测；
[0142]3低功耗，可以采用多种方式供电，电池、光伏、市电均可；
[0143]4数据处理快速，帧率可调，数据输出内容可选择配置；
[0144]5具有无线数据传输能力，可以现场采集检测数据，也可以通过无线发射系统远程传输。
[0145]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0146]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种非接触式液位测量系统，其特征在于，包括光发射腔体(6)和CCD接收腔体(14)，所述光发射腔体(6)具有光发射腔体出射准直狭缝(8)，所述CCD接收腔体(14)具有CCD接收腔体入射准直狭缝(16)，当非接触式液位测量系统工作时，光发射腔体￠)内发光体发出的光线经过光发射腔体出射准直狭缝(8)，经过CCD接收腔体入射准直狭缝(16)这条光路进入CCD接收腔体(14)被CCD接收，样品管处于所述光路上且光线以平行于样品管母线的方向通过所述样品管。
2.根据权利要求1所述的非接触式液位测量系统，其特征在于，包括:样品管夹持臂、夹持端头、合页(3)、光发射腔体(6)、CCD接收腔体(14)、CCD接收腔体后盖板(15)、光发射腔体出射准直狭缝(8)、CCD接收腔体入射准直狭缝(16)； 合页(3)侧壁垂直固定样品管夹持臂一端，所述样品管夹持臂另一端设置夹持端头，所述夹持端头紧固夹持样品管(I)，所述合页(3)右扇叶(21)安装光发射腔体￠)，所述合页(3)左扇叶(20)安装CCD接收腔体(14)，所述CCD接收腔体(14)后端由CCD接收腔体后盖板封盖，防止产生漏光；所述光发射腔体(6)夹持样品管一侧面板中部为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设光发射腔体出射准直狭缝(8)，所述CCD接收腔体(14)夹持样品管一侧面板中部也为凹槽形状，沿凹槽形状部位开设CCD接收腔体入射准直狭缝(16)。
3.根据权利要求2所述的非接触式液位测量系统，其特征在于，所述样品管夹持臂包括:样品管上夹持臂(2)、样品管下夹持臂(9)、上夹持臂锁紧螺丝(4)、下夹持臂锁紧螺丝(10)、上套管(28)、下套管(29)； 所述夹持端头包括:样品管上部锁紧螺丝(5)、样品管下部锁紧螺丝(11)、上夹持端头(12)和下夹持端头(13)； 所述样品管上夹持臂(2)外部过盈套接入上套管(28) —端，所述上套管(28)侧壁开设螺纹孔，上夹持臂锁紧螺丝(4)拧入螺纹孔，所述上夹持臂锁紧螺丝(4)外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧上套管(28)与样品管上夹持臂(2)，所述上套管(28)另一端固定上夹持端头(12)，在上夹持端头(12)侧壁开设螺纹孔，样品管上部锁紧螺丝(5)拧入螺纹孔，所述样品管上部锁紧螺丝(5)外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧上夹持端头(12)与样品管(I); 所述样品管下夹持臂(9)外部过盈套接入下套管(29) —端，所述下套管(29)侧壁开设螺纹孔，下夹持臂锁紧螺丝(10)拧入螺纹孔，所述下夹持臂锁紧螺丝(10)外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧下套管(29)与样品管下夹持臂(9)，所述下套管(29)另一端固定下夹持端头(13)，在下夹持端头(13)侧壁开设螺纹孔，样品管下部锁紧螺丝(11)拧入螺纹孔，所述样品管下部锁紧螺丝(11)外螺纹与螺纹孔内螺纹相配合，锁紧下夹持端头(13)与样品管(I)。
4.根据权利要求1所述的非接触式液位测量系统，其特征在于，还包括:防光线遮蔽挡片(7); 所述光发射腔体(6)在安装合页的另一端侧板的边缘处安装防光线遮蔽挡片(7)，或者在所述CCD接收腔体(14)在安装合页的另一端侧板的边缘处安装防光线遮蔽挡片(7)，所述防光线遮蔽挡片(7)沿侧板边缘处探出边缘，将所述光发射腔体(6)和CCD接收腔体(14)对合状态的缝隙遮住。
5.根据权利要求2所述的非接触式液位测量系统，其特征在于，所述合页(3)包括:校准孔(23)、第一校准螺钉(26)、第二校准螺钉(27)； 所述合页⑶左扇叶(20)和合页(3)右扇叶(21)分别开设N个校准孔(23)，由第一校准螺钉(26)和第二校准螺钉(27)穿入所述校准孔(23)拧入侧板，根据样品管(I)的直径调整第一校准螺钉(26)、第二校准螺钉(27)，使所述光发射腔体(6)和CCD接收腔体(14)顺利接收光反馈数据，所述N > 2。
6.根据权利要求1所述的非接触式液位测量系统，其特征在于，所述光发射腔体(6)包括:光发射电路板(17), 所述CCD接收腔体(14)包括:线阵CCD (18)和CCD接收电路板(19)；所述光发射电路板(17)安装于所述光发射腔体(6)内部，由光发射电路板(17)发射光信息穿过光发射腔体出射准直狭缝(8)，所述CCD接收腔体(14)的线阵CCD (18)排列在CCD接收腔体入射准直狭缝(16)处，接收光信息数据，线阵CCD连接CCD接收电路板(19)；所述CCD接收电路板(19)包括:前端驱动数据采集模块AFE、FPGA、数据传输接口、控制丰旲块; 所述前端驱动数据采集模块AFE连接线阵CCD，接收线阵CCD传输的光信息数据，完成模拟CCD图像信号的双采样及AD转换；所述前端驱动数据采集模块AFE另一端连接FPGA，所述FPGA连接数据传输接口和控制模块。
7.根据权利要求1所述的非接触式液位测量系统，其特征在于，所述凹槽形状包括:梯形或半圆形。
8.一种非接触式液位测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1，对非接触式液位测量系统的线阵CCD和CCD接收电路板进行初始化，开始测量样品管液位； 步骤2，打开光发射电路板，通过光发射腔体的光发射腔体出射准直狭缝对样品管液位进行照射，穿过样品管的光信息照射到CCD接收腔体入射准直狭缝处的线阵CCD，由线阵CCD对光信息强度进行判断； 步骤3，根据光信息强度判断样品管液位高度，对液位进行M次测量，获得样品管液位绝对高度值，所述M > 3。
9.根据权利要求8所述的非接触式液位测量方法，其特征在于，所述步骤2包括: 步骤2-1，在由线阵CCD对光信息强度进行判断时，配置线阵CCD的开始寄存器中的开始位置为高位； 步骤2-2，对线阵CCD所采集的光信息强度进行中断程序判断，将前段驱动数据采集模块进行中断触发，模拟光信息信号转化为数字光信息信号，传输到FPGA进行高度运算。
10.根据权利要求8所述的非接触式液位测量方法，其特征在于，所述步骤3包括: 步骤3-1，采集的液位高度值在FPGA中进行液位高度运算； 步骤3-2，将采集的光信息帧数据对应的像元进行加和平均； 步骤3-3，对相邻像元灰度值做差，并存储该差值到数组中； 步骤3-4，找到灰度差值最大的位置，得到最初的样品管液位所处的位置； 步骤3-5，重复步骤3-2至步骤3-4，求取M组数据，进行求平均，得到样品管液位绝对高度值。
【文档编号】G01F23/00GK104236665SQ201410451333
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】龚恒翔, 廖飞, 谢瑛珂, 李江华, 朱新才 申请人:重庆中孚科技有限公司, 重庆理工大学