光學液位編碼器的製作方法

2023-05-20 16:27:06

專利名稱：光學液位編碼器的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於測量容器中的液位的裝置，更具體地涉及光 學地測量液位。
背景技術：
存在著有必要測量容器中的液體的量的許多應用。Holcomb等人在2004年9月30日提交的題為"Method and system for encoding fluid level"的美國專利申請10/955,485 (並授予為美國專利 6,992,757)描述了一種浮在液體表面上的浮子。該浮子機械地連接到旋 轉的編碼器盤(該編碼器盤分割為透光區域和不透光區域)。 一組發光二 極管(LED)是與該盤的另一側上的光傳感器對齊，從而，由於該盤隨 著浮子上下移動而旋轉時，可以將液位編碼。David Corven等人在2004年3月15日提交的題為"Optical fluid level monitor"的美國專利申請10/800,484 (即美國專利公報20050199833)描 述了一種包括顯示器和光管(lightpipe)的光學傳感器，該光管光學地連 接到該顯示器並延伸到貯液器中所關注的高度，其中該光管是有這樣的 材料形成該材料具有的折射率大於空氣的折射率並且小於或等於液體 的折射率，而且光是光學地連接到該光管。該光管可以是玻璃杆或塑料 杆，或者是一束光纖。Lee等人在2002年10月9日提交的題為"Fluid container with level indicator,and fluid level indicator assembly for a fluid container"的美國專禾ll 申請10/267,965 (即美國專利6,805,070)描述了一種液位傳感器，該液 位傳感器在容器中包括視頻顯示器，該液位傳感器使用多個毛細管，這 些毛細管在容器中在彼此不同的垂直高度處終止。Shi等人在2002年10月7日提交的題為"LCC-based fluid-leveldetection s畫r"的美國專利申請10/265,954 (並授予為美國專利 6,949,758)描述了一種基於光通信信道(LCC)技術的液位傳感器。該 LCC的一端連接到信號源，而另一端連接到傳感器。將該LCC浸入液體 容器中，信號在該LCC中經受內反射並向連接到傳感器的一端傳播。通 過測量到達傳感器的被該LCC反射的信號的強度來檢測液位。在1998年12月29日授予Cowger的題為"Method and apparatus for detecting fluid level"的美國專利5,852,946描述了一種液位檢測器，其用 於提供表示液體容器中的液位的信號。該液位檢測器包括用於向液體容 器內的液體提供光的第一光導管部。設置第二光導管部來接收由第一光 導管部提供的光。還包括從第一光導管部向第二光導管部延伸的光路。 該光路具有隨著液體容器內的液體量而變化的光路長度。該光路長度的 變化在第二光導管部處產生光強度的變化，這表示了液體容器中的液位。在1998年5月5日向Jung等人授予的題為"Apparatus and method for sensing fluid level"的美國專利5,747,824描述了垂直地布置於盒中的紅外 LED的陣列和光傳感器的陣列。在其上排列有LED的垂直線基本上平行 於在盒內的液位的方向。LED以與液面向上傾斜大約20度，這樣，光束 不穿過液體/空氣界面。根據許多的特性可以區分該Jung系統。首先，關於待測量的每一個 位高，系統要求用於待測量的每一個液位的光源和傳感器對。第二，系 統不能針對單個源/傳感器對檢測在液位之上或之下有多遠。第三，為了 準確讀取多個位高，需要折流板來在各個角度處阻擋能量。對於可以散 射光的液體，相鄰的傳感器需要被正確地定向。發明內容本發明的實施方式提供了液位傳感器。只有當液體在一定位高範圍 內時，光學結構才阻擋光束的透射。該結構可以連續地疊置以構建編碼 器信道，其響應於在多個範圍中的液位。可以組合多個堆疊以構建遞增 的、絕對的、或多種標準編碼器拓撲中的任意一種。


圖1至圖3、圖4A至圖4C、圖5和圖6是根據本發明實施方式的 用於測量液位的光管的框圖；圖7是根據本發明實施方式的用於測量液位的具有7段式顯示器的 光管的框圖；圖8是圖6的光管的立體圖；和圖9是用於不規則形狀容器的光管的側視圖。
具體實施方式
本發明的實施方式提供了用於測量容器中的液位的光學液位編碼器o圖1示出本編碼器的基本"積木式"部件的結構。容器100部分地 填充有液體101和空氣102。用標號105表示液位。光管150以一定角度布置在容器中。光管150包括光源IOO(如LED)、 光傳感器120 (如光檢測器)。應該指出，可以顛倒光源和傳感器的位置。該光管還包括一個或更多個光導管130。在該實施方式中，兩個光 導管隔開間隙135。可以準確地控制光導管和間隙的長度。在該優選實施 方式中，光導管是由具有不同長度的透明的圓柱形丙烯酸杆構成。杆的 直徑大約為5 mm。在該優選實施方式中，使杆的直徑與LED 110以及光敏電晶體120 的直徑相同，以有助於編碼器的裝配，如圖9所示。作為優點，在一端進入導管的任何光束由於全內反射而在相對端處 離開導管。當光束在導管的介質邊界處折射時發生全內反射，以有效地 將全部光反射回導管中。因此，如圖9所示，導管可以是彎曲的。用於表示或測量光強度的可選裝置160是連接到光傳感器。經編碼 的輸出值可以為"0" (off)或"1" (on)，或如下面所述的一些連續值。 本領域技術人員將認識到，裝置160可以是任何測量單元，例如為電的、 光學的或機械單元。還應該指出，傳感器120可以是無源的可視的半透 明杆。在該情況下，只要光束穿過傳感器，在該傳感器中光束將是可視的。光導管沿著光束的光路設置在光源與光傳感器之間，從而光束的至 少一部分通過光導管，並且當容器中存有液體時光束的至少另一部分通 過液體。應該指出，光束可以是包括可見光、紅外線、紫外線或雷射束 形式的任意光信號。如圖1所示，液體101的液面在間隙135之下。因此，感測到由光 源110發射的光束111，可以推斷出液位範圍105在間隙135之下或在間 隙135之上，即，容器幾乎是空的或幾乎是滿的。如圖2所示，液體IOI的液面在間隙135之上。因此，感測到由光 源110發射的光束111，可以推斷出液位範圍105在間隙135之上或在間 隙135之下，即，容器幾乎是空的或幾乎是滿的。如圖3所示，液位在間隙之中。因此，在液體/空氣界面處反射光， 並感測不到光，液位範圍105可能在間隙135之中。對於空氣/水界面， 內反射的臨界角是48.75°或更大。通過精確地切割光導管的長度，可以構造液位編碼器，該液位編碼 器可以保持針對小的值範圍的液位，例如只保持針對在液位位於間隙中 時的那些值的液位。在操作過程中，隨著液位升高，每當到達間隙時，就可以增加液位 指示器，並隨著液位下降，可以減少液位指示器。因而，圖3中示出的 結構可以指示液位的三個不同範圍。圖4A、 4B和4C示出具有單個光導管的另選結構。如果液位在光導 管的範圍內，則編碼器的輸出是邏輯"1"或"on",否則為邏輯"0"或 "off"。當容器為圖4A中的幾乎空、圖4B中的半滿以及圖4C中的幾乎滿 時，液位編碼器將總是處於on。圖5示出光管具有多個(例如6個)光導管以及相應的5個間隙以 表示11個不同液位的結構。疊置的光管在圖6所示的本發明的另一實施方式中，將多個光管601相鄰地"疊 置"在容器中，並且其中光導管和間隙具有不同的長度。因此，可以構造光學液位編碼器。只要液體-空氣界面105按照產生所希望的輸出序列 所需要的順序來覆蓋和露出光導管端部，就可以不必在任何特定的方向 的疊置。在一個優選的實施方式中，該輸出序列是格雷碼。 格雷碼格雷碼提供了 "二進位數字的編碼，使得從一個值到下一個值只有 一位發生變化。作為優點，格雷碼對於進行液位編碼是有用的，因為液 位中的微小位置變化只影響一個位。在常規的二進位碼中，隨著液位上 升或下降跨過單個劃分線，可以改變多至n位，測量裝置的微小的未對 準可以導致非常不正確的液位讀取。例如，從液位7移動到液位8，即按二進位從0111到1000，根據針 對4個信道中每一個中的0和1的單獨檢測器中的最微小的未對準，這 可導致作為中間狀態的從0000到1111的16種可能結果中的任意一種。 因為格雷碼每次只改變一位，最差情況的誤差是在任意方向的單個計數, 並且該誤差只存在於製造過程中裝配的最大允許裝配未對準。針對n位的二進位反射格雷碼可以通過下面方法來構建取n-l位 的格雷碼、以相反的順序重複它、接著對新碼的前半部分中的所有值前 附0並對該新碼的後半部分的所有值前附1。例如，二位格雷碼是0001 11 10以相反的順序重複該碼，得到0001 11 101011 01 00對前半部分中的每個值前附O，得到000001011010101101 00對後半部分中的每個值前附l，得到000001011010110111 101 100這是有效的三位格雷碼。無限地重複該過程，以得到任意希望長度 和分解率的格雷碼。注意，上述格雷碼不是唯一的一種可能形式；例如，有效格雷碼的 旋轉可產生其他有效的格雷碼。在上述實施例中，我們可旋轉二位碼00 01 11 10為01 0010 11這可產生三位碼001 000010011 Ul 110100 101圖6示出具有三個光管的液位編碼器，用於根據上述三位旋轉格雷 碼而進行編碼。針對圖6中示出的液位，格雷碼是碼Oll。應該理解，也可以對其他類型的碼進行編碼；這些碼不必是諸如二 進位或格雷碼等的絕對碼。可以使用正交碼，作為虛擬絕對碼，其中正交碼提供了高的分解率， 並且第三代碼線路提供了唯一序列化籤名。由於液位微小地變化，唯一 序列化代碼線路的狀態產生僅能在一個位置中出現的唯一序列，從而給 出只有三個數據信道的絕對高度。圖8示出如何疊置光管。例如，由塑料形成殼體810。該殼體包括 溝槽811。該溝槽的一部分812略微呈圓形，使得光導管130、光源IIO 和傳感器120可以卡合到溝槽中。直接數字讀取型液位裝置也可以是如圖7所示的其他實施方式。在一個實施方式中，光管讀 出器完全是光學的。圖7示出經常使用的常規7段式數值顯示裝置，以 表示數值數字，例如4。為了產生液位的數值顯示，我們確定針對哪一液 位範圍應點亮哪一段，接著疊置適當地排列的光管，以產生該圖案。然 後可以將從各堆疊的發出的光以光學方式引導到該顯示器的適當的段。 該結構給出了只使用光的液位的數值讀取。除了對光源的電源之外，不 需要移動的部件或電子電路。不規則形狀的容器作為優點，這裡描述的液位編碼器可以使用不規則形狀的容器，如 圖9所示。對於這些容器，不可能使用諸如浮子的常規機械傳感器或需 要從光源到傳感器的直接路線的光的光學傳感器。這裡，導管140使來
自光源110的光"彎曲"，繞過拐角，到達傳感器120。注意，在液位沒 改變太多的光管的部分中，導管的數量可以是稀疏的。儘管己通過優選實施方式的實施例的方式描述了本發明，但應該理 解在本發明的精神和範圍內可做出各種其他的適應和修改。因此，所附 的權利要求的目的是覆蓋所有這些變化和修改，只要它們落入本發明的 真實精神和範圍之內。
權利要求
1、一種用於測量容器中的液位的裝置，該裝置包括光源，其被構造成發射光束；光傳感器，其被構造成感測所述光束；和布置在保存液體的所述容器中的光導管，該光導管沿著所述光束的光路布置在所述光源與所述光傳感器之間，使得所述光束的至少一部分通過光導管，並且當所述容器保存有液體時使所述光束的至少另一部分通過液體。
2、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光束的所述另一部分相 對於液體液面呈一角度，以使光束在液體液面處被內反射。
3、 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述角度大於內反射的臨界角。
4、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光導管是圓柱形的、透 明的、丙烯酸杆。
5、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光導管、所述光源和所 述光傳感器的直徑基本上相同。
6、 根據權利要求l所述的裝置，其中，所述光源是發光二極體，所 述光傳感器是光敏電晶體。
7、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光導管是直的。
8、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光導管是部分彎曲的。
9、 根據權利要求1所述的裝置，其中，按在多個導管之間存在多個 間隙的方式沿所述光束的光路布置所述多個導管。
10、 根據權利要求9所述的裝置，其中，所述多個導管的長度和所 述多個間隙的長度是不同的。
11、 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光源、所述光傳感器 以及所述光束的光路中的一個或多個光導管形成光管，並且該裝置還包括在容器中相互平行地疊置的多個光管。
12、 根據權利要求ll所述的裝置，其中，所述多個光管的所述導管 的數量和所述導管的長度將液位編碼為格雷碼。
13、 根據權利要求ll所述的裝置，其中，所述光傳感器採用七段式 數值顯示裝置的元件的形式。
14、 根據權利要求9所述的裝置，其中，所述容器的形狀是不規則 的，所述多個導管將彎曲路徑中的光束從光源引導到所述光傳感器。
15、 根據權利要求1所述的裝置，其中，當液位與通過所述光導管 的所述光束的所述一部分相一致時，所述光傳感器感測到光束，並且當 液位與通過液體的所述光束的所述另一部分相一致時，所述傳感器未感 測到光束。
16、 一種用於測量容器中的液位的裝置，該裝置包括-光源，其被構造成發射光束；光傳感器，其被構造成感測所述光束；和布置在保存液體的所述容器中的光導管，所述光導管沿著所述光束 的光路布置在所述光源與所述光傳感器之間，使得所述光束的至少一部 分通過光導管，並且當所述容器保存有液體時所述光束的至少另一部分 通過所述液體，其中，僅當液位與通過光導管的所述光束的所述一部分 相一致時，所述光傳感器感測到光束。
17、 一種用於測量容器中的液位的方法，該方法包括 從光源發射光束；使所述光束的至少一部分通過布置在用於保存液體的所述容器中的 光導管；當所述容器保存有液體時，使所述光束的至少另一部分通過所述液 體；和僅當所述液位與通過所述光導管的所述光束的所述一部分相一致 時，感測到所述光束。
全文摘要
本發明提供一種光學液位編碼器。該裝置測量容器中的液位。光源發射光束。光傳感器感測所述光束。在保存液體的容器中設置光導管。該光導管沿著光束的光路布置在光源與光傳感器之間，使得光束的至少一部分通過光導管，並且當容器保存有液體時所述光束的至少另一部分通過液體。當液位與通過光導管的光束的所述一部分相一致時，所述光傳感器感測到光束，並且當液位與通過液體的光束的所述另一部分相一致時，由於在液位處的內反射，所述傳感器未感測到光束。
文檔編號G01F23/284GK101113921SQ200710139100
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月25日 優先權日2006年7月26日
發明者喬納森·韋斯特許斯, 保羅·H·迪茨, 大衛·C·雷諾茲, 德克·布林克曼, 維廉·S·葉拉茲尼斯, 達雷恩·L·利 申請人:三菱電機株式會社