一種液位跟蹤裝置的製作方法

2023-05-02 09:57:56 1

實用新型涉及一種液位跟蹤裝置，尤其涉及一種能夠精確計算液面高度的液位跟蹤裝置。

背景技術：

現有技術中，用於機械臂式固相萃取儀上的液位跟蹤系統裝置，只能跟蹤液位，不能精確計算出液面的高度。

技術實現要素：

為克服現有技術中存在的缺點，本實用新型的發明目的是提供一種液位跟蹤裝置，其能夠精確地跟蹤容器內的液面。

為實現所述發明目的，本實用新型提供一種液位跟蹤裝置，其至少包括控制系統、液位傳感器和注射針，其特徵在於，還包括電容極板，所述注射針上連接有第一導線，所述第一導線連接於液位傳感器的信號輸入端；所述電容極板連接於第二導線，所述第二導線連接於液位傳感器的公共端，液位傳感器用於給控制系統提供容器內的液位信號。

優選地，液位跟蹤裝置還包括三軸機械臂，所述三軸機械臂包括垂直於地而的Z臂，設置在前後方向的Y臂；設置在左右方向的X臂，Z臂上設置有絲杆，絲杆上設置有滑塊，滑塊在第一電機的驅動下在絲杆上移動。

優選地，液位跟蹤裝置還包括第二電機，第二電機能夠驅動Z臂沿Y臂前後移動。

優選地，液位跟蹤裝置還包括第三電機，第三電機能夠驅動Y臂沿X臂左右移動。

優選地，液位跟蹤裝置還包括注射泵，注射泵的活塞由第四電機驅動運動。

優選地，所述注射泵與注射針之間的定量儲液管的長度根據設計值確定。

優選地，控制系統根據液位傳感器提供的容器內的液位信息控制第一、第二、第三和第四電機的工作狀態。

與現有技術相比，本實用新型提供的液位跟蹤裝置能夠精確地跟蹤容器內的液面。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的液位跟蹤裝置的組成示意圖；

圖2是本實用新型提供的液位跟蹤裝置的控制系統的組成電路圖；

圖3是本實用新型提供的液位跟蹤原理的示意圖；

圖4是本實用新型提供的液位跟蹤裝置的控制系統的控制過程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、 「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「設置」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內部的連通，對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

圖1是本實用新型提供的液位跟蹤裝置的組成示意圖，如圖1所示，本實用新型提供的液位跟蹤裝置能夠自動跟蹤待抽取的容器內的液面，其包括控制系統和三軸機械臂，所述三軸機械臂包括相互垂直的X臂（X軸）、Y臂（Y軸）、和Z臂（Z軸）（圖中未示）， Z臂為垂直於地面的臂，其在電機M3驅動下能夠沿Y臂前後移動；Y臂能夠在電機M4驅動下沿X臂左右移動。Z臂上沿垂直軸向設置有絲杆9，所述絲杆上設置有滑塊15，所述滑塊15在電機M2的驅動下沿絲杆15自欺欺人垂直上下移動。液位跟蹤裝置還包括液位傳感器12，本實用新型中優選電容傳感器作為液位傳感器12，其用於測量容器內的液體液面高度，本實用新型優選容器為試管，本實用新型中，在支架（圖中未示）上呈矩陣狀設置N*M個試管或SPE柱，N和M均大於或者等於2，如沿X方向設置的試管16、試管17、試管18和SPE柱19，每個試管用於存貯不同的溶液。液位跟蹤裝置還包括注射針8，其用於從試管中抽取所設計量的溶液並注射到SPE柱中，如SPE柱19中。液位跟蹤裝置還包括注射泵1，所述注射泵1通過管路與注射針8相連。注射泵1包括空筒、活塞和推拉杆，空筒優選為圓柱筒，空筒的第一端連接管路，另一端開口，活塞置於管體內，活塞連接於推拉杆，當推拉杆帶動活塞移動到空筒底部時，儲液管3內的液體從注射針內排出，當推拉杆帶動活塞移動到空筒頂部時，注射針從試管內抽入溶液到儲液管3內。推拉杆的運行由電機M1驅動。

本實用新型中，液位傳感器12的一個信號引出線13連接於注射針8，液位傳感器12的公共端連接於電容極板14，所述電容極板14設置在試管下，如此，注射針8和電容極板14形成一個電容，當注射針8向下移動，當接觸到液面時，其電容值發生變化，從而能夠測量容器內的液面高度，通常情況下，容器的直徑或者橫向截面是已知的，根據直徑或者橫向截面和液面高度可以計算出容器內的溶液的體積，截面積與液面高度相乘就得溶液體積。

注射針和注射泵之間的定量儲液管3處設置有壓力傳感器4，其用於測量定量儲液管3內液體的壓力並將壓力信號轉換成電信號而後傳送給控制系統。

注射針8和注射泵1之間的管路中還設置有第一電磁換向閥2、第二電磁換向閥5和第三電磁換向閥6，其中，第一電磁換向閥2的第一埠連接於注射泵，第二埠連接於水罐或者酒精罐，第三埠經管路連接於第二電磁換向閥的第一埠。第一電磁換向閥2在控制系統提供的控制信號S2的作用下，可以使第一埠和第二埠連通，以從水罐或酒精罐中抽取水或酒精，當需要對管路、注射針、換向閥進行清洗時，注射泵1從水罐或者酒精罐抽取水或酒精。第一電磁換向閥2在控制系統提供的控制信號S2的作用下還可使第一埠和第三埠連通，以從容器中抽取溶液或者注放到SPE柱中。第二電磁換向閥5的第一埠經管路連接於第一電磁換向閥2的第三埠，第二埠連接於氮氣罐，第三埠通過管路連通於第三電磁閥6的第一埠，第二電磁換向閥5在控制系統提供的控制信號S3的作用下，可以使第一埠和第二埠連通，以從氮氣罐中注入氮氣。第二電磁換向閥5在控制系統提供的控制信號S3的作用下還可使第一埠和第三埠連通，以使管路與注射針連通。第三電磁換向閥6的第二埠連接於外界，第三埠經儲液管3連通於注射針8，第三電磁換向閥6在控制系統提供的控制信號S4的作用下，可以使第一埠和第二埠連通以從外界吸入空氣。第三電磁換向閥6在控制系統提供的控制信號S4的作用下，可以使第一埠和第三埠連通以使管路與注射針連通。

本實用新型中，注射針優選依次由軸向相連接的具有第一外直徑和第一內徑的第一鋼管81和具有第二外徑和第二內徑的第二鋼管82，第一外徑比第二外徑大，從而在相連接處形成臺階，第二外徑略小於第一內徑，便於將第二鋼管的第一端插入到第一鋼管的第二端，在臺階處設置有密封圈83。第一鋼管的第一端設置有第一加強套管84，第一套管84連接有連接裝置85，連接裝置85用於將注射針連接於滑塊15上。第二鋼管81的第二端形成斜面以形成針尖，便於插入到固相萃柱的密封塞的通孔中。第一鋼管82利用高強度鋼製備，第二鋼管利用高韌性白鋼製備，且使第一鋼管的外徑比第一鋼管的外徑大，如此，使注射針兼具高強度和高韌性，從而防止注射針折斷。

本實用新型中，固相萃取柱（SPE）19包括瓶體191和用於密封瓶體的瓶口的密封塞192，密封塞中央沿軸向設置有通孔，所述瓶體下端設置有收液口193，瓶口處設置有凸環。當注射針扎入密封塞中的通孔時，由當注射針的臺階抵住密封蓋，注射針上的密封圈83正好能卡在密封蓋通孔中，從而使密封圈83發生擠壓起到完全密封的作用。

圖3是本實用新型提供的液位跟蹤裝置的控制系統的組成電路圖，如圖3所示，本實用新型提供的控制系統包括：控制器、多路復用器28、放大器、A/D轉換器29、隔離器、用於驅動第一電磁換向閥2的第一驅動器，用於驅動第驅動第二電磁換向閥5的第二驅動器和用於驅動第三電磁換向閥6的第三驅動器。

液位傳感器12用於跟蹤容器內的液位高度信息，並將液位高度信息轉換為電信息，而後提供給多路復用器28。壓力傳感器4用於測量儲液管3內的液體的壓力，並將液體的壓力轉換為電信息，而後提供給多路復用器28。多路復用器根據處理器提供的信號使某個傳感器與多路復用器的輸出端相連，多路復用器的輸出端連接到比例放大器，比例放大器用於對某一傳感器提供的信號進行放大。示例性的，比例放大器包括：運算放大器OP1、電阻R5、電阻R6和電阻R4，多路復用器的輸出端經電阻R5連接於運算放大器OP1的反相端，運算放大器OP1的輸出端經電阻R6連接於其反相輸入端；運算放大器OP1的同相端經電阻R4連接於地。運算放大器OP1的輸出端經A/D轉換器21連接於反相器OP2的輸入端，反相器OP2的輸出端連接於處理器的一個輸入端，A/D轉換器用於將比例放大器提供的模擬信號轉換為數位訊號，OP2用於對A/D轉換器21提供的信號進行反相，並進行隔離。

第一驅動器用於給電磁換向閥2提供驅動信號，示例性地，第一驅動器包括電晶體TR1、電阻R1和二級管D1，其中，電晶體TR1的基極TR1經電阻R1連接於控制器，發射極接地，集電極接二極體D1的正極。二極體D1的負極接電源，二極體D1的兩端與繼電器J1的線包相併聯。繼電器J1的常開觸點的一端接AC220V的電源的第一端，另一端接電磁換向閥2的一個端子，電磁換向閥2的另一個端子接AC220V的電源的第二端。當需要電磁換向閥2換向時，處理器給電晶體TR1的基極提供一個高電位信號，電晶體導通，與其集電極相連的繼電器J1的線包有電流通過，其常開觸點閉合，電磁換向閥2接通AC220V電源而換向；當不需要電磁換向閥2換向時，處理器給電晶體TR1的基極提供一低電位信號，電晶體截止，與其集電極相連的繼電器J1的線包沒有電流通過，其常開觸點斷開，電磁換向閥2與AC220V電源斷開。

第二驅動器用於給電磁換向閥5提供驅動信號，示例性地，第二驅動器包括電晶體TR2、電阻R2和二級管D2，其中電晶體的基極TR2經電阻R2連接於控制器，發射極接地，集電極接二極體D2的正極。二極體D2的負極接電源，二極體D2的兩端與繼電器J2的線包相併聯。繼電器J2的常開觸點的一端接AC220V的電源的第一端，另一端接電磁換向閥5的一個端子，電磁換向閥5的另一個端子連接AC220V的電源的第二端。當需要電磁換向閥5換向時，處理器給電晶體TR2的基極提供一個高電位信號，電晶體TR2與其集電極相連的繼電器J2的線包有電流通過，其常開觸點閉合，電磁換向閥5接通AC220V電源而換向；當不需要電磁換向閥5換向時，處理器給電晶體TR2的基極提供一低電位信號，電晶體TR2截止，與其集電極相連的繼電器J2的線包沒有電流通過，其常開觸點斷開，電磁換向閥5與AC220V電源斷開。

第三驅動器用於給電磁換向閥6提供驅動信號，示例性地，第三驅動器包括電晶體TR3、電阻R3和二級管D3，其中電晶體的基極TR3經電阻R3連接於控制器，發射極接地，集電極接二極體D3的正極。二極體D3的負極接電源，二極體D3的兩端與繼電器J3的線包相併聯。繼電器J3的常開觸點的一端接AC220V的電源的第一端，另一端接電磁換向閥6的一個端子，電磁換向閥6的另一個端子連接AC220V的電源的第二端。當需要電磁換向閥6換向時，處理器給電晶體TR3的基極提供一個高電位信號，電晶體TR3導通，與其集電極相連的繼電器J3的線包有電流通過，其常開觸點閉合，電磁換向閥6接通AC220V電源而換向；當不需要電磁換向閥6換向時，處理器給電晶體TR3的基極提供一低電位信號，電晶體TR3截止，與其集電極相連的繼電器J3的線包沒有電流通過，其常開觸點斷開，電磁換向閥6與AC220V電源斷開。

本實用新型提供的控制系統還包括用於驅動步進電機M1的步進電機驅動器21，其通過光電隔離器20與控制器相連。控制器經隔離器22給步進電機驅動器21提供控制信號，步進電機驅動器21驅動電機M1正轉或者反轉，以使注射泵工作。更具體地說，電機M1帶動注射泵的推垃植以進一步帶動活塞在其空筒內上下移動，向下移動時抽入介質，向上移動時排出介質，所述介質為水、酒精、氮氣或空氣。

控制系統還包括用於驅動步進電機M2的步進電機驅動器23，其通過光電隔離器22與控制器相連。控制器經隔離器22給步進電機驅動器23提供控制信號，步進電機驅動器23驅動電機M2正轉或者反轉，從而使滑塊15在電機M2的驅動下沿絲杆上下移動。滑塊15帶動注射針8上下移動。如圖4所示，本實用新型中，絲杆的長度為固定值，將容器呈矩陣中設置在支架（圖中未示）中，絲杆與支架的位置固定，換句話說，沿高度方向，滑塊15的起始位置A與容器的底部C的位置固定，滑塊15帶動注射針8沿絲杆向下移動時，驅動電機的脈衝數也在隨著下移的距離增加而呈線性增加，而一個脈衝驅動電機以帶動滑塊15向下移動的步長為已知，當注射針8接觸到液面時，即注射針由B移動動B`時，由注射針、電容極板和其間的介質形成的電容的值發生變化，電容傳感器探測到該變化並將這種電容的變化轉換成電壓信號而後提供給多路復用器28，多路復用器28將該電壓信號提供給放大器，放大器將放大後的信號提供給A/D轉換器29，A/D轉換器29將所接收的模擬信號轉換為數位訊號，經隔離器提供給控制器，控制器檢測到該信號後，調用存儲器內應用程式，根據脈衝數和步長可計算出注射針下移的距離，滑塊起始位置減去下移距離就得到，容器內液面高度，容器內的液面高度與容器的橫截面之積計算得到容器內的溶液的體積，由此可見，本實用新型提供的液面跟蹤裝置能夠跟蹤容器內的液體的液面。

控制系統還包括用於驅動步進電機M3的步進電機驅動器25，其通過光電隔離器24與控制器相連。控制器經隔離器24給步進電機驅動器25提供控制信號，步進電機驅動器25驅動電機M3正轉或者反轉，以使Z臂沿Y臂前後移動，更進一步地，使Z臂攜帶注射針前後移動到相應列的容器上方。

控制系統還包括用於驅動步進電機M4的步進電機驅動器27，其通過光電隔離器26與控制器相連。控制器經隔離器26給步進電機驅動器27提供控制信號，步進電機驅動器27驅動電機M4正轉或者反轉，以使Y臂能夠在電機M4驅動下沿X左右移動，更進一步地，使Y臂攜帶Z臂，Z臂攜帶注射針8左移移動到所相應行的容器上方。

本實用新型提供的液位跟蹤裝置還包括在穩壓電源，穩壓電源用於給各部件提供電能，穩壓電源與AC220V電源間設置開關KH2和KL2，是為了當控制信號不起作用時，強制關閉電源。

本實用新型提供的液位跟蹤裝置還包括存儲器11，其至少包括ROM和RAM，ROM用於存儲應該程序和數據，RAM用於存儲臨時值。本實用新型提供的液位跟蹤裝置還包括第一通信模塊10，其為無線通信模塊，如WIFI模塊、藍牙模塊等，其用於控制器與上位機進行無線鏈路。本實用新型提供的液位跟蹤裝置還包括第二通信模塊32，其優選為網卡，用於與上位機進行有線鏈路，如此上位機可能夠通過第一和第二通信模塊給控制器發送指令，並從控制器中接數據。控制器將液位傳鹹器12和壓力傳感器所傳送的數據打包成幀並通過通信模塊發送到上位機，上位機根據這些數據也進行相行的計算。

本實用新型提供的液位跟蹤裝置還包括聲光報警電路，其包括電晶體TR4、電阻R7、電阻R8、揚聲器30和燈LED，其中，電晶體TR4的基極TR1經電阻R7連接於控制器，發射極接地，集電極接燈LED的負極。燈LED的正極經電阻R8接電源。當管路內的壓力超過設定值時，處理器給電晶體TR4的基極提供一個高電位信號，電晶體TR4導通，LED發光，揚聲器30發聲。

圖4是本實用新型提供的液位跟蹤裝置的控制系統的控制過程示意圖，如圖4所示，液位跟蹤裝置的控制系統的控制過程包括：

使液位跟蹤裝置的控制系統初始化，並通過通信模塊接收上位機的數據，給電機M2、電機M3、電機M4提供驅動信號，使三軸機械臂運行到指定的試管位置，控制系統使Z臂上滑塊15下降，在運行當中滑塊攜帶的注射針8碰到液面時，液位傳感器發出一個電平信號給控制器。

控制器接收到這個信號，控制注射泵1抽取液體，並且調整Z軸上注射針下降的速度，使之與液面下降速度保持一致，實現液面跟隨。

注射泵抽取到實驗的設定量時，會給控制器一個完成信號，於是控制滑塊上移，滑塊帶動注射針上拉並控制機械臂運行到指定SPE柱位置，再控制Z臂上滑塊下移，以使注射針下降插入SPE柱柱蓋中心的小孔，當注射針臺階處的密封圈頂住蓋子上的小孔時，注射泵注入剛從試管中吸取的液體。

由於管路中可能有液體殘留，所以在管路連接中安裝了第二和第三電磁換向閥5和6，實現了氮氣或空氣的進入（兩者任選其一）。當實驗室裡沒有氮氣時，可以由注射泵代替動力源對空氣進行抽取然後助推，如若實驗室有氮氣，只要把氮氣接入即可（氮氣本身有壓力，無需通過注射泵抽吸）。

注射泵還通過第一電磁換向閥2接純淨水或酒精，因為吸入的液體不進入注射泵（倘若進入會導致交叉汙染），液體只會到達第三電磁換向閥之前儲液管3中（注射泵一次吸入量為10ML，在注射針與三路切換閥之間會有>10ml的儲液管來存放吸入的液體），倘若吸入的液體不進入注射泵，那麼注射泵在抽吸時管殼中會因沒有介質的往復運動而縮短注射泵的壽命，因此注射泵會通過第一電磁換向閥2接入純淨水或酒精，幫助抽吸，起到潤滑的作用。

由於一些實驗的液體中存在大顆粒物質，向SPE柱注入液體流速過快可能導致SPE柱堵塞，所以在管道中加入壓力傳感器4，當壓力超過設定值時，儀器通過壓力傳感器4返回信號進行報警，達到安全使用裝置（或者儀器）的目的。

本實用新型中，由於通過使注射泵和注射針之間的儲液管中依次注入液體、氣體和溶液，利用氣體將液體和溶液隔開，使溶液不進入注射泵而僅暫時存儲於儲液管中，而儲液管便於利用液體或氣體進行清洗，因此避免了交叉感染。

以上結合附圖，詳細說明了本實用新型的工作原理。但是本領域的普通技術人員應當明白，說明書僅是用於解釋權利要求書。但本實用新型的保護範圍並不局限於說明書。任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型批露的技術範圍內，可輕易想到的變化或者替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。