基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量方法及测量装置

摘要

本发明提供的是一种基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量方法及测量装置。利用光束在等腰直角三棱镜中的折射、反射以及全反射等原理，并通过提取线阵CCD图像数据中的液位特征信息以实现液位测量。测量装置主要由线光源、等腰直角三棱镜、线阵CCD、控制电路等组成。线光源与线阵CCD布放在等腰直角三棱镜的斜边平面的上方且与所述斜边平面平行，同时线光源与线阵CCD位于同一直线上且与等腰直角三棱镜的棱垂直，等腰直角三棱镜的横截面的斜边所在的侧面平行于液面。该方法是一种无需光学成像透镜的光学液位测量方法，具有精度受液体浓度变化的影响极小、结构相对简单、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种液位测量方法，本发明也涉及一种液位测量装置。

背景技术

液位是工业过程中最重要和较常见的测量参数之一。液位的测量主要是指汽-液、液-液、液-固分界面位置测量技术，其广泛应用于化工、石油及动力装置等液体存储设备中。现有的液位测量方法有压力式液位测量法、浮沉式液位测量法、电容液位测量法及超声波液位测量法等，但当液体浓度、温度变化或受环境限制时，上述测量方法的分辨率低、误差较大或不能实施测量。

随着现代光学技术与光电子技术的进步，电荷耦合器件的精密制造技术及性能得到了快速发展。这使得利用线阵CCD的高分辨力测量液位的微小变化成为可能，并为液位测量提供了新的手段。

目前主要有三种基于CCD的液位测量方法。一、基于线阵CCD的激光反射法：该方法的实现原理是通过一个激光器在被测液位的斜上方入射一束激光，反射的光束被线阵CCD接收，当液位变化时，激光与液面的接触点发生变化，这使线阵CCD所接收光束的像素位置发生变化，从而测出液位。这种方法的主要弱点是易受环境因素的影响，很难在运动载体上施用。二、基于线阵CCD的光学成像法：该方法的实现原理是利用反射板反射线光源的光线到光源所对应的另一侧，所反射的光线穿过透明容器并由光学透镜成像于CCD上。该方法利用了光学中的透镜成像原理，测量范围广，但是需要物镜、反射板等器件，占用体积大，此外由于测量范围大，CCD与液面距离较远，焦距的调节也比较困难，容易产生较大误差。三、基于CCD的线光源成像法：该方法的实现原理是将线光源与线阵CCD分布于柱形透明容器两侧，线光源所发射的光通过盛放液体的柱形透明容器后，由于柱形透明容器的透镜效应，在其等效的透镜的焦距上即可得到柱形透明容器中液位信息。该方法结构相对简单，但是由于玻璃管本身是一个透镜，线阵CCD与玻璃管需要有一定的距离，容易产生不易控制的系统误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度受液体浓度变化的影响极小基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量方法。本发明的目的还在于提供一种结构相对简单、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作的基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量方法为：

采用主要由线光源、等腰直角三棱镜、线阵CCD及其控制电路组成的测量装置，将等腰直角三棱镜被置于容器中，其截面的斜边所在的侧面位于线光源与线阵CCD的下方且平行于液面放置，线光源与线阵CCD位于一条直线上且垂直于等腰直角三棱镜的棱，光束垂直入射到等腰直角三棱镜中并与直角边所在的侧面相交，当交点位于液面上方时，光束在交点处发生全反射，反射光束在等腰直角三棱镜截面另一直角边所在的侧面再次发生全反射，最终反射光束透射出棱镜被线阵CCD所接收；当交点位于液面下方时，光束在等腰直角三棱镜截面直角边所在的侧面上不满足全反射条件，发生两次反射和两次折射，最后反射光透射出等腰直角三棱镜入射到线阵CCD上，使得线阵CCD采集到的光强相对较弱，即图像信号在液面对应处发生突变，光强信号的特征反映在线阵CCD所获取的图像信号中，利用线阵CCD像素强度信号的输出值特征判定液面位置。

发明的基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量装置的组成包括线光源4、线光源的透明防护罩5、等腰直角三棱镜6、密闭箱体7、线阵CCD 9、电路单元8，线阵CCD 9嵌于密闭箱体7的一侧面宽度和长度略大于CCD 9芯片宽度和长度的开槽中并在密闭箱体7内外两侧对开槽与线阵CCD 9的缝隙实行密封，同时保证线阵CCD 9的防护玻璃略凸出于密闭箱体7的这一侧面，线光源4与线阵CCD 9布放在等腰直角三棱镜6的斜边平面的上方且与所述斜边平面平行，同时线光源4与线阵CCD 9位于同一直线上且与等腰直角三棱镜6的棱垂直，等腰直角三棱镜6的横截面的斜边所在的侧面平行于液面，线光源及其驱动电路封闭在透明防护罩中构成光源单元；线阵CCD、单元电路密闭于箱体中。

所述的单元电路包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路以及数据传输电路。

线阵CCD及其控制单元与线光源可以结合为一体密封放置，也可以单独进行放置。

本发明是一种无需成像透镜的基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量方法及测量装置。该方法利用了光束在等腰直角三棱镜中的折射、反射以及全反射等原理，实现在线阵CCD图像数据中提取液位特征。该装置主要由线光源、等腰直角三棱镜、线阵CCD、控制电路等组成，具有精度受液体浓度变化的影响极小、结构相对简单、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

附图说明

图1是本发明的结构及光路示意图；

图2是本发明线阵CCD输出信号的幅值示意图。

具体实施方式

结合图1，基于等腰直角三棱镜的斜边式液位测量装置包括线光源4及透明防护罩5、等腰直角三棱镜6、密闭箱体7、线阵CCD9、电路单元8(包括：线阵CCD9驱动电路、数据采集与处理电路和数据传输电路)，线阵CCD9嵌于密闭箱体7某一侧面宽度和长度略大于CCD9芯片宽度和长度的开槽中并在密闭箱体7内外两侧对开槽与CCD9的缝隙实行密封，同时保证CCD9的防护玻璃略凸出于密闭箱体7的这一侧面，线光源4与线阵CCD9被布放在三棱镜6的斜边平面的上方且与该平面平行，同时要求线光源4与线阵CCD9位于同一直线上，且与三棱镜6的棱垂直，同时三棱镜6的横截面的斜边所在的侧面平行于液面。

线光源4发出的平行光，垂直于三棱镜6的横截面的斜边所在的侧面入射到三棱镜6中并与直角边所在的侧面相交。当交点位于液面3的上方时，光束在交点处发生全反射，反射光束在三棱镜6横截面另一直角边所在的侧面再次发生全反射，最终反射光束透射出三棱镜6被线阵CCD9所接收；当交点位于液面3下方时，光束在三棱镜6横截面直角边所在的侧面上不满足全反射条件，从而发生两次反射和折射，最后反射光透射出三棱镜6入射到线阵CCD9上，使得CCD9采集到的光强相对较弱，即图像信号在液面对应处发生突变。光强信号的特征反映在线阵CCD9所获取的图像信号中，利用线阵CCD9像素强度信号的输出值特征可判定液面位置。

于是可得线阵CCD9的各像素点输出信号的幅值示意图，结合图2，其中液面下方较弱信号段10、液面上方较强且平坦信号段12、和两段之间的突变段11，通过这些信息可实现液位测量。

对于不同的待测液体可以选用谱段不同的线光源和线阵CCD。