專利名稱:光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及液體表面油層厚度檢測技術,具體涉及用于檢測液體表面浮油層厚度的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng)。
背景技術:
在生物質熱解液化法制取生物油的過程中,可采用直接冷凝式換熱器冷凝回收氣態(tài)生物油,但該回收方法的產物是生物油和水的液態(tài)混合物,因此存在油水分離問題。在油水分離過程中,對液體表面浮油層厚度進行高精度、實時的在線檢測與控制,具有極其重要的意義。目前,油層厚度傳統(tǒng)測量方法分為標尺直接測量法和超聲波在線測量技術兩大類,標尺直接測量法屬于離線測量方法,這種方法測量油層厚度既費時又費力,還必須在分離裝置中安裝可視的窗口,并且采用離線方法的另一個缺點是不易實施自動化控制。超聲波在線測量技術在目前應用廣泛,其缺點就是測量精度差,容易受其它因素干擾,抗干擾能力差。本實用新型通過傳統(tǒng)光學的方法,將反射能量的變化邊沿作為測量的起始點,經過整形電路整形后得到一個用于測量的脈沖,通過測量脈沖寬度就可測的油層的厚度。通過單片機進行數據處理,用顯示器直觀的顯示出蓄電池的容量,測量中通過一個標準的厚度測量與被測厚度的相對比較,消除了放大、計數等環(huán)節(jié)帶來的誤差,提高了測量精度。
發(fā)明內容
針對上述已有技術存在的缺陷,本實用新型要解決的技術問題在于提供一種靈敏度高、測量準確、顯示直觀的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng)。
為了解決上述技術問題,本實用新型的技術方案是,光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng),包括
發(fā)射、接收光頭由發(fā)射管和接收管組成,光學反射棱鏡在光學反射棱鏡的兩端各涂上一條黑色帶,并將光學反射棱鏡放置在待測溶液中,接收發(fā)射管發(fā)出的光并將光反射出去;驅動電路連接到發(fā)射、接收光頭,為其提供驅動電壓;所述系統(tǒng)還包括電機帶動發(fā)射、接收光頭在支撐架上做勻速往返運動;電機驅動電路受單片機電路控制,驅動電機工作;整形電路整形電路的輸入端連接接收管的輸出端,將接收管發(fā)出的電信號經過整形電路整形后,得到兩個寬度不同的脈沖波形,送到單片機電路;單片機電路接收整形電路輸出的兩個寬度不同的脈沖波形作為計數門限,通過計算得到二個計數值,再通過計算處理后,得到被測浮油層厚度,通過所述單片機電路的輸出口將浮油層厚度數據送到顯示電路;同時發(fā)出驅動信號給電機驅動電路;顯示電路顯示電路的數據輸入端與單片機電路的數據輸出口端口相連,顯示電路接收單片機電路輸出的段碼數據并將該數據用LED顯示;顯示驅動電路顯示驅動電路的輸入端分別與單片機電路的輸入輸出口相連,顯示驅動電路的輸出端與顯示電路的控制端相連。
所述顯示驅動電路的輸入端分別與單片機電路的其中的4個輸入輸出口第P2.0端至第P2.4端相連,顯示驅動電路的輸出端與顯示電路的控制端相連,鎖存單片機電路以上4個輸入輸出口第P2.0端至第P2.4端的控制信號,提供4位位選,以實現數據動態(tài)顯示;所述顯示電路的數據輸入端與單片機電路的其中8個輸出口第P1.0端至第P1.7端相連,接收單片機電路輸出的段碼數據并將該數據用LED顯示。
本實用新型的一個優(yōu)選方案中,所述整形電路包括邏輯與門。
本實用新型的一個優(yōu)選方案中,所述整形電路由兩級差分放大器A1、A2、比較電路A3、A4、A5、電阻R3至R13、電位器W2至W6、邏輯與門&組成,差分放大器A2的“+”端連接到接收管T的輸出并通過電阻R2接地,差分放大器A2的“-”端通過電阻R6與其輸出端連接,并通過電阻R4與差分放大器A1的輸出端相連,差分放大器A1的“-”端通過電阻R7接地,并通過電阻R3與其輸出端連接;所述差分放大器A1的“+”端與電位器W3的動觸點相連,電位器W3的一端接地,另一端接電源,同時一個由電位器W2與電阻R5組成的串聯電路連接在所述差分放大器A1的“-”端與差分放大器A2的“-”端之間,比較器A3的正端通過電阻R9與電位器W4的動觸點相連,電位器W4的一端接地,另一端接電源,比較器A3的“-”端通過電阻R8接差分放大器A2的輸出端,比較器A4的“-”端通過電阻R10與電位器W5的動觸點相連,電位器W5的一端接地,另一端接電源,比較器A4的“+”端通過電阻R11接差分放大器A2的輸出端,比較器A5的“-”端通過電阻R12與電位器W6的動觸點相連,電位器W6的一端接地,另一端接電源,比較器A5的“+”端通過電阻R13接差分放大器A2的輸出端,比較器A3、A4的輸出端接邏輯與門&的輸入端,邏輯與門&的輸出端接單片機電路的一個輸入口P3.2,比較器A5的輸出端接單片機電路的另一個輸入口P3.3。
本實用新型的一個優(yōu)選方案中,所述電機驅動電路(6)是高壓大電流達林頓晶體管陣列集成電路。
本實用新型所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng)的有益效果是,通過單片機控制,實現液體表面浮油層厚度的直接顯示,因此具有在線測量準確、使用方便、直觀,由于測量計算算法中采用了兩個計數值N1、N2的比值,這樣可消除由于計數時計數值N1、N2的單個測量帶來的計數誤差,同時也可消除由于電機轉速不穩(wěn)定帶來的測量誤差,因此系統(tǒng)具有較高的測試精度;且反應靈敏、使用壽命長、性能/價格比高、使用壽命長等優(yōu)點,是一種有很大實用價值的新型浮油層厚度在線測量系統(tǒng)??蓮V泛應用于化工、生物、制藥、環(huán)保等行業(yè),具有良好的應用前景。
圖1是本實用新型所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng)的電路框圖。
圖2是本實用新型所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng)的電路原理圖圖3是本實用新型所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng)的三種不同物質的反射電平波形圖圖4是本實用新型所述的裝入單片機的主程序流程框圖。
圖5是本實用新型所述的裝入單片機的定時中斷程序流程框圖。
圖6是本實用新型所述的裝入單片機的外部中斷程序流程框圖。
具體實施方式
參見圖1、圖2和圖3,本實用新型所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng),由發(fā)射、接收光頭D、T、光學反射棱鏡1、驅動電路2、整形電路3、單片機電路4、電機5、電機驅動電路6、顯示驅動電路8、顯示電路7構成,其中發(fā)射、接收光頭D、T由發(fā)射管D和接收管T組成;驅動電路2連接到發(fā)射、接收光頭D、T,為其提供驅動電壓;電機帶動發(fā)射、接收光頭D、T支撐架上做勻速往返運動;電機驅動電路6受單片機電路4控制,驅動電機5工作;整形電路3的輸入端連接接收管T的輸出端,將接收管發(fā)出的電信號經過整形電路整形后,得到兩個寬度t1、t2不同的脈沖波形,送到單片機電路4;單片機電路4接收整形電路3輸出的兩個寬度t1、t2不同的脈沖波形作為計數門限,通過計算得到二個計數值N1、N2,再通過計算處理后,得到被測浮油層厚度,通過所述單片機電路的輸出口將浮油層厚度數據送到顯示電路7;同時發(fā)出驅動信號給電機驅動電路6;顯示電路7的數據輸入端與單片機電路的數據輸出口P1.0至P1.7端口相連,顯示電路7接收單片機電路4輸出的段碼數據并將該數據用LED顯示;顯示驅動電路8的輸入端分別與單片機電路4的輸入輸出口P2.0至P2.3相連,顯示驅動電路8的輸出端與顯示電路7的控制端相連。
本實用新型的一個優(yōu)選方案中,所述整形電路包括邏輯與門。
本實用新型的一個優(yōu)選方案中,所述整形電路3是由兩級差分放大器A1、A2、比較電路A3、A4、A5、電阻R3至R13、電位器W2至W6、邏輯與門&組成,差分放大器A2的“+”端連接到接收管T的輸出并通過電阻R2接地,差分放大器A2的“-”端通過電阻R6與其輸出端連接,并通過電阻R4與差分放大器A1的輸出端相連,差分放大器A1的“-”端通過電阻R7接地,并通過電阻R3與其輸出端連接;所述差分放大器A1的“+”端與電位器W3的動觸點相連,電位器W3的一端接地,另一端接電源,通過調整W3而得到不同的基準電平(調零),使該系統(tǒng)獲得不同測量零點,同時一個由電位器W2與電阻R5組成的串聯電路連接在所述差分放大器A1的“-”端與差分放大器A2的“-”端之間,通過調整W2可調整差分放大器的放大倍數;比較器A3的正端通過電阻R9與電位器W4的動觸點相連,電位器W4的一端接地,另一端接電源,比較器A3的“-”端通過電阻R8接差分放大器A2的輸出端,比較器A4的“-”端通過電阻R10與電位器W5的動觸點相連,電位器W5的一端接地,另一端接電源,比較器A4的“+”端通過電阻R11接差分放大器A2的輸出端,比較器A5的“-”端通過電阻R12與電位器W6的動觸點相連,電位器W6的一端接地,另一端接電源,比較器A5的“+”端通過電阻R13接差分放大器A2的輸出端,比較器A3、A4的輸出端接邏輯與門&的輸入端,邏輯與門&的輸出端接單片機電路的一個輸入口P3.2,比較器A5的輸出端接單片機電路的另一個輸入口P3.3。
本實用新型的一個優(yōu)選方案中,所述電機驅動電路6是高壓大電流達林頓晶體管陣列集成電路??梢赃x用ULN2003集成電路。電機可以選用步進電機。
所述單片機電路由單片機、一個振蕩電路和一個復位電路組成,在單片機內包括內部程序存儲器(ROM)、內部數據存儲器RAM、輸入/輸出口、尋址空間、中斷與堆棧、定時器/計數器與寄存器、指令系統(tǒng)、布爾處理器、時鐘電路模塊。單片機可以選用AT89C51,在單片機內裝入圖4、圖5、圖6所示的程序軟件;所述振蕩電路由晶體Y1與電容C1和C2構成并聯式諧振電路,連接在單片機電路的X1腳與X2腳之間;所述復位電路由電容C3、電阻R23串聯組成,電容C3、電阻R23的連接接點連接在單片機電路的RESET腳,電容C3的一端接電源,電阻R23的一端接地;復位電路的作用是使單片機電路和單片機電路系統(tǒng)中的其它部件都處于某一確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作。
所述顯示驅動電路包括4個三極管T1至T4和電阻R24、R25、R26、R27,所述4個三極管的發(fā)射極分別接電源,所述4個三極管T1至T4的基極分別與電阻R24、R25、R26、R27的一端相連,所述4個三極管T1至T4的集電極分別接顯示電路,所述電阻R24、R25、R26、R27的另一端分別與單片機電路的4個輸入輸出口第P2.0端至第P2.3端相連;三極管的作用是鎖存單片機電路的控制信號,提供4位位選,以實現動態(tài)顯示。
所述顯示電路包括4位LED數碼管和限流電阻R15至R22,所述4位LED數碼管是TP-5461BH,TP-5461BH是共陽型數碼管,所述數碼管的陽極分別與顯示驅動電路中的4個三極管T1至T4的集電極相連,所述數碼管的陰極分別與限流電阻R15至R22的一端相連,限流電阻R15至R22的另一端分別與單片機電路的第P1.0端至第P1.7端口連接;由單片機電路的上述端口提供段選碼,當單片機電路的端口中為低電平時,端口對應的段就亮。
所述發(fā)射管D1是紅外線發(fā)射二極管,所述紅外線發(fā)射二極管的陽極接驅動電路,紅外線發(fā)射二極管的陰極接地,所述接收管是光敏三極管,所述光敏三極管的集電極接驅動電路,光敏三極管的發(fā)射極接整形電路。
所述驅動電路由電阻R1、電位器W1組成,電阻R1與電位器W1串聯,電位器W1的一端接電源,電位器W1的另一端接電阻R1,電阻R1的另一端接紅外線發(fā)射二極管D1的陽極,電位器W1的動觸點接光敏三極管的集電極,通過調整W1可調整紅外線發(fā)射二極管的發(fā)光強度;同樣調整W1可使光敏三極管工作在線性區(qū),從而使該傳感器有較高靈敏度和較好的線性特性。
在光學反射棱鏡的兩端分別涂上一條黑色帶,使發(fā)射、接收光頭D、T在此兩端的黑色帶上反射能量最小,測量二條黑色帶間的最小距離AD,作為該測試系統(tǒng)的標準距離L;選擇發(fā)射、接收光頭為紅外發(fā)射接收對管,如波長為940nm的發(fā)光二極管作為發(fā)射管D,選用光敏三極管作為接收管T,將光學反射棱鏡1放入待測溶液中并緊貼容器內表面,同時將發(fā)射、接收光頭D、T固定放置在一個支撐架上9,支撐架垂直于地面放置并與存放光學反射棱鏡的容器面靠近,定義液體表面浮油層厚度為BC,當電機5帶動發(fā)射、接收光頭D、T沿支撐架9上下運動時,接收管T接收到的光的反射能量將發(fā)生變化當發(fā)射、接收光頭D、T運動到平行于A點位置時,接收到的光的反射能量將發(fā)生變化,在光學反射棱鏡周圍的介質將會由黑色物質(幾乎無反射)變?yōu)樗?有一定反射);當發(fā)射、接收光頭運動到平行于B點位置時,接收到的光的反射能量又將發(fā)生變化,這時光學反射棱鏡周圍的介質將會由水(有一定反射)變?yōu)橛?反射情況與水有所不同);當發(fā)射、接收光頭運動到平行于C點位置時,接收管接收到的光的反射能量又將發(fā)生變化,這時的光學反射棱鏡周圍的介質將會由水(有一定反射)變?yōu)榭諝?反射情況與水和油都有所不同),再繼續(xù)運動,當發(fā)射、接收光頭運動到平行于D點位置時,接收管接收到的光的反射能量又將發(fā)生變化,這時的光學反射棱鏡周圍的介質將會由空氣變?yōu)楹谏镔|,同時,在A、B、C、D位置,接收管輸出的電平也會發(fā)生變化。
因此發(fā)射、接收光頭D、T沿支撐架9上下運動時,將會產生如圖3所示的輸出檢測電平,其中,a、b、c是比較電平,d是水反射電平,e是油層反射電平,f是空氣反射電平經過整形電路整形后,可得到兩個脈沖,其中一個是標準距離AD所產生的脈沖寬度是t2的脈沖,另一個是被測油層的厚度BC端距離所產生的脈沖寬度為t1的脈沖,將兩個脈沖分別送到單片機的定時/計數器中進行計數,分別會產生計數值N1、N2,單片機在程序處理時將依據如下公式計算X=L×N1÷N2其中X為被測油層厚度;N1、N2分別為發(fā)射、接收光頭沿支撐架上下運動時,所得到的兩個脈沖寬度t1、t2所產生的計數值;L為A、D點之間的距離,為標準距離因此,在測試中只要得到兩個脈沖寬度t1、t2所產生的計數值N1、N2和事先有一個為標準距離L,就可計算出被測油層厚度X。同時,由于測量計算算法中采用了兩個計數值N1、N2的比值,這樣可消除由于計數時計數值N1、N2的單個測量帶來的計數誤差,同時也可消除由于電機轉速不穩(wěn)定帶來的測量誤差,可提高系統(tǒng)的測試精度。單片機電路通過圖4、圖5、圖6程序計算處理后,得到被測浮油層厚度,通過P0口將浮油層厚度數據送到數碼顯示器顯示。
權利要求1.光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng),包括發(fā)射、接收光頭(D、T)由發(fā)射管(D)和接收管(T)組成;光學反射棱鏡(1)在光學反射棱鏡的兩端各涂上一條黑色帶,并將光學反射棱鏡放置在待測溶液中,接收發(fā)射管發(fā)出的光并將光反射出去;驅動電路(2)連接到發(fā)射、接收光頭(D、T),為其提供驅動電壓;其特征在于所述系統(tǒng)還包括電機(5)帶動發(fā)射、接收光頭(D、T)在支撐架上做勻速往返運動;電機驅動電路(6)受單片機電路(4)控制,驅動電機(5)工作;整形電路(3)整形電路的輸入端連接接收管(T)的輸出端,將接收管發(fā)出的電信號經過整形電路整形后,得到兩個寬度(t1、t2)不同的脈沖波形,送到單片機電路(4);單片機電路(4)接收整形電路(3)輸出的兩個寬度(t1、t2)不同的脈沖波形作為計數門限,通過計算得到二個計數值(N1、N2),再通過計算處理后,得到被測浮油層厚度,通過所述單片機電路的輸出口將浮油層厚度數據送到顯示電路(7);同時發(fā)出驅動信號給電機驅動電路(6);顯示電路(7)顯示電路(7)的數據輸入端與單片機電路的數據輸出口(P1.0至P1.7)端口相連,顯示電路(7)接收單片機電路(4)輸出的段碼數據并將該數據用LED顯示;顯示驅動電路(8)顯示驅動電路(8)的輸入端分別與單片機電路(4)的輸入輸出口(P2.0至P2.3)相連,顯示驅動電路(8)的輸出端與顯示電路(7)的控制端相連。
2.根據權利要求1所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng),其特征在于所述整形電路(3)包括邏輯與門(&)。
3.根據權利要求2所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng),其特征在于所述整形電路由兩級差分放大器A1、A2、比較電路A3、A4、A5、電阻R3至R13、電位器W2至W6、邏輯與門&組成,差分放大器A2的“+”端連接到接收管T的輸出并通過電阻R2接地,差分放大器A2的“-”端通過電阻R6與其輸出端連接,并通過電阻R4與差分放大器A1的輸出端相連,差分放大器A1的“-”端通過電阻R7接地,并通過電阻R3與其輸出端連接;所述差分放大器A1的“+”端與電位器W3的動觸點相連,電位器W3的一端接地,另一端接電源,同時一個由電位器W2與電阻R5組成的串聯電路連接在所述差分放大器A1的“-”端與差分放大器A2的“-”端之間,比較器A3的正端通過電阻R9與電位器W4的動觸點相連,電位器W4的一端接地,另一端接電源,比較器A3的“-”端通過電阻R8接差分放大器A2的輸出端,比較器A4的“-”端通過電阻R10與電位器W5的動觸點相連,電位器W5的一端接地,另一端接電源,比較器A4的“+”端通過電阻R11接差分放大器A2的輸出端,比較器A5的“-”端通過電阻R12與電位器W6的動觸點相連,電位器W6的一端接地,另一端接電源,比較器A5的“+”端通過電阻R13接差分放大器A2的輸出端,比較器A3、A4的輸出端接邏輯與門&的輸入端,邏輯與門&的輸出端接單片機電路的一個輸入口P3.2,比較器A5的輸出端接單片機電路的另一個輸入口P3.3。
4.根據權利要求1或2或3所述的光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng),其特征在于所述電機驅動電路(6)是高壓大電流達林頓晶體管陣列集成電路。
專利摘要光電式液體表面浮油層厚度在線測量系統(tǒng),包括發(fā)射、接收光頭(D、T)、光學反射棱鏡(1)、驅動電路(2),其特征在于所述系統(tǒng)還包括電機(5)、電機驅動電路(6)、整形電路(3)、單片機電路(4)、顯示電路(7)、顯示驅動電路(8);本實用新型通過單片機控制,并在測量計算算法中采用了兩個計數值N
文檔編號G01B21/08GK2919189SQ20052001009
公開日2007年7月4日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權日2005年10月11日
發(fā)明者廖強, 趙明富, 朱恂 申請人:重慶大學