一种基于全反射原理的液位计量方法与流程

本发明属于环境监测中液位计量，特别涉及一种基于全反射原理的液位计量方法。

背景技术：

1、水质在线监测仪是监测水中污染成分和浓度的重要设备，在水环境监测和治理中起到举足轻重的作用。随着人们对水环境的重视程度日益深入，国家对水环境的监管日益严格，水质在线监测仪数据准确性和稳定性就显得特别重要。要实现水质在线监测仪测试数据的准确性和稳定性，其中液位的计量的准确性和稳定性是核心和关键，包括水样、标液和试剂的计量。人们一直采用各种方法对液位进行计量，如专利申请201721276378.x公开的一种液体计量装置，专利申请201820667914.7公开的水质在线监测仪计量器，专利申请202021756094.2公开的一种水质分析仪的液位计量装置，202120195718.6公开的一种计量装置，专利申请202220772677.7公开的一种水质分析仪计量装置。

2、总体上说，目前水质在线监测仪的液位计量方案大多采用以下两种方案：

3、1、基于光电式光透射/折射法玻璃计量管，该方法结构简单、成本较低，如图1、图2所示。

4、2、基于注射泵或计量泵的液体计量，该方法采用高精度的注射泵或计量泵，匹配不同容积的注射器进行液体计量，该方法可靠性高，不容易受气泡干扰，但是成本较高，而且该方法需要液体充满管路，不能有空气，适应性较差。

5、目前采用最多的是第1种方式，针对第1种检测方法，一般检测器安装在光透过无液体状态下玻璃计量管的光，在有液体状态下光会产生折射，从而实现液位的检测，光线路径仿真图如图1、图2所示(图1是现有光电式光透射/折射法液位检测方法在无液体时光线路径仿真图，图2是现有光电式光透射/折射法液位检测方法在有液体时光线路径仿真图)。发射led和接收led位于液位两侧，对经液位折射的光线进行检测，但是由于是透射法，容易受玻璃计量管内部异常情况干扰，如气泡和挂壁等，如图3所示，图3为现有光电式光透射/折射法液位检测方法示意图，图中所示，在有气泡或者挂壁存在是会导致光路发生偏转。玻璃本身也是一种亲水材料，天然的容易产生气泡和挂壁，会导致液位误判，导致最终的测量结果突变，影响水质监测仪的数据稳定性，而且该方法的两种状态下光偏折的角度较小，导致设计的时候对机械加工的精度要求较高，较小的加工误差可能会导致不同计量管之间的差异较大，这对计量管的品控要求较高。因此，这种方式主要存在以下的缺点：

6、1.抗干扰能力较差，容易受气泡、挂壁等异常情况干扰；

7、2.加工精度要求较高，对产品品控要求较高；

8、3.成本高；

9、4.适应性较差。

技术实现思路

1、基于此，因此本发明的首要目地是提供一种基于全反射原理的液位计量方法，该方法采用独特的光路设计，保证入射光在无水状态下在计量管内表面满足全反射条件，抗干扰能力强，不受玻璃管内气泡、挂壁等异常情况干扰，提高仪器的稳定性。

2、本发明的另一个目地在于提供一种基于全反射原理的液位计量方法，该方法实现简便，能够低成本实现液位计量，同时水样适应性高。

3、申请人研究发现，通过入射光的角度的控制可以避开气泡、挂壁，实现气泡、挂壁干扰的消除，因此，如何控制入射光的角度就是一个重点。

4、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

5、一种基于全反射原理的液位计量方法，该方法通过计量管实现液位计量，将计量管设计为外方内圆，即计量管的外壁的方形，内部为圆形；并调整入射光的角度，使得入射角i满足以下条件：

6、θ1≤i≤θ2

7、其中：

8、θ1：计量管无水状态下全反射临界角；

9、θ2：计量管有水状态下全反射临界角；

10、通过控制入射光的入射角度，对液位进行计量。

11、进一步，θ1和θ2由以下两个公式给出：

12、

13、

14、其中：

15、i：入射角；

16、θ1：计量管无水状态下全反射临界角；

17、θ2：计量管有水状态下全反射临界角；

18、入射光发散角；

19、n1:计量管内液体折射率；

20、n2:计量管材料折射率；

21、δθ：数值计算中的角度细分数；

22、α：信噪比。

23、就是说，考虑入射光不是理想的光线，实际入射光具有一定的发散角，并且存在其他杂散光的影响，因此对实际的光学模型，需要考虑信噪比，一般信噪比要求α≥10:1，因此，入射角i需要满足以下条件：

24、θ1≤i≤θ2

25、其中：

26、θ1：计量管无水状态下全反射临界角；

27、θ2：计量管有水状态下全反射临界角；

28、调整入射光的角度，是进行光路设计，保证入射光在无水状态下在计量管内表面满足全反射条件，入射光的临界角θ1和θ2由以下两个公式给出：

29、

30、

31、其中：

32、i：入射角；

33、θ1：计量管无水状态下全反射临界角；

34、θ2：计量管有水状态下全反射临界角；

35、入射光发散角；

36、n1:计量管内液体折射率；

37、n2:计量管材料折射率；

38、δθ：数值计算中的角度细分数；

39、α：信噪比。

40、进一步，计量管设计为外方内圆，入射光保证与计量管外侧面垂直，这种结构设计对角度控制比较好，保证入射光进入玻璃管的角度不发生偏转，对应y轴位置不需要控制得非常精确，同时在安装上较为方便。

41、进一步，计量管为石英玻璃材质，石英玻璃折射率为1.458，水的折射率为1.33，

42、假设入射光发散角n1＝1.33，n2＝1.458，δθ＝100，信噪比α＝10:1，通过数值计算，入射角i满足以下角度范围：

43、47°≤i≤62°。

44、通过调节入射光与计量管中心的位移d，可实现入射角满足47°≤i≤62°，位移d可由以下公式计算得出：

45、

46、其中，r为计量管内径(直径)。

47、在满足入射角条件的情况下，考虑结构设计的简单性，一般角度设计小一些为宜，以入射角i＝50°，计量管内径8mm为例，

48、

49、进一步，入射光采用小发散角(发散角小于5°为小发散角)，这样，小发散角红外led发射出的光线能够减少杂散光对测量的影响。

50、更进一步，入射光处和接收光处设置有光阑，通过光阑减小光发散角度，进一步减少杂散光对测试的影响。

51、这样，入射光在计量管的内表面发生全反射，光线不会透过计量管，因此光线不受计量管内部的气泡和挂壁的影响而发生光线偏折，从而保证计量的准确性和可靠性。

52、相比于现有技术，本发明的有益效果如下：

53、本发明通过调整入射光的角度和位置，使得入射光在计量管的内表面发生全反射，光线不会透过计量管，因此光线不受计量管内部的气泡和挂壁的影响而发生光线偏折，从而保证计量的准确性和可靠性。

54、由此，本发明抗干扰能力强，不受玻璃管内气泡、挂壁等异常情况干扰，提高仪器的稳定性。

55、由于通过入射光的角度和位置实现，对于设备的加工精度要求低，对产品品控要求低。

56、仅仅通过对入射光线及计量管的设计即可实现，成本较低；同时水样适应性较高。