專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)液位編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于測(cè)量容器中的液位的裝置，更具體地涉及光 學(xué)地測(cè)量液位。
背景技術(shù)：
存在著有必要測(cè)量容器中的液體的量的許多應(yīng)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(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/955,485 (并授予為美國(guó)專(zhuān)利 6,992,757)描述了一種浮在液體表面上的浮子。該浮子機(jī)械地連接到旋 轉(zhuǎn)的編碼器盤(pán)(該編碼器盤(pán)分割為透光區(qū)域和不透光區(qū)域)。 一組發(fā)光二 極管(LED)是與該盤(pán)的另一側(cè)上的光傳感器對(duì)齊，從而，由于該盤(pán)隨 著浮子上下移動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/800,484 (即美國(guó)專(zhuān)利公報(bào)20050199833)描 述了一種包括顯示器和光管(lightpipe)的光學(xué)傳感器，該光管光學(xué)地連 接到該顯示器并延伸到貯液器中所關(guān)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于空氣的折射率并且小于或等于液體 的折射率，而且光是光學(xué)地連接到該光管。該光管可以是玻璃桿或塑料 桿，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(guó)專(zhuān)禾ll 申請(qǐng)10/267,965 (即美國(guó)專(zhuān)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(gè)毛細(xì)管，這 些毛細(xì)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(huà)r"的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/265,954 (并授予為美國(guó)專(zhuān)利 6,949,758)描述了一種基于光通信信道(LCC)技術(shù)的液位傳感器。該 LCC的一端連接到信號(hào)源，而另一端連接到傳感器。將該LCC浸入液體 容器中，信號(hào)在該LCC中經(jīng)受內(nèi)反射并向連接到傳感器的一端傳播。通 過(guò)測(cè)量到達(dá)傳感器的被該LCC反射的信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)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(guó)專(zhuān)利5,852,946描述了一種液位檢測(cè)器，其用 于提供表示液體容器中的液位的信號(hào)。該液位檢測(cè)器包括用于向液體容 器內(nèi)的液體提供光的第一光導(dǎo)管部。設(shè)置第二光導(dǎo)管部來(lái)接收由第一光 導(dǎo)管部提供的光。還包括從第一光導(dǎo)管部向第二光導(dǎo)管部延伸的光路。 該光路具有隨著液體容器內(nèi)的液體量而變化的光路長(zhǎng)度。該光路長(zhǎng)度的 變化在第二光導(dǎo)管部處產(chǎn)生光強(qiáng)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(guó)專(zhuān)利5,747,824描述了垂直地布置于盒中的紅外 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 于在盒內(nèi)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(guò)液體/空氣界面。根據(jù)許多的特性可以區(qū)分該Jung系統(tǒng)。首先，關(guān)于待測(cè)量的每一個(gè) 位高，系統(tǒng)要求用于待測(cè)量的每一個(gè)液位的光源和傳感器對(duì)。第二，系 統(tǒng)不能針對(duì)單個(gè)源/傳感器對(duì)檢測(cè)在液位之上或之下有多遠(yuǎn)。第三，為了 準(zhǔn)確讀取多個(gè)位高，需要折流板來(lái)在各個(gè)角度處阻擋能量。對(duì)于可以散 射光的液體，相鄰的傳感器需要被正確地定向。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實(shí)施方式提供了液位傳感器。只有當(dāng)液體在一定位高范圍 內(nèi)時(shí)，光學(xué)結(jié)構(gòu)才阻擋光束的透射。該結(jié)構(gòu)可以連續(xù)地疊置以構(gòu)建編碼 器信道，其響應(yīng)于在多個(gè)范圍中的液位。可以組合多個(gè)堆疊以構(gòu)建遞增 的、絕對(duì)的、或多種標(biāo)準(zhǔn)編碼器拓?fù)渲械娜我庖环N。


圖1至圖3、圖4A至圖4C、圖5和圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的 用于測(cè)量液位的光管的框圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于測(cè)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是用于不規(guī)則形狀容器的光管的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)施方式提供了用于測(cè)量容器中的液位的光學(xué)液位編碼器o圖1示出本編碼器的基本"積木式"部件的結(jié)構(gòu)。容器100部分地 填充有液體101和空氣102。用標(biāo)號(hào)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(cè)器)。應(yīng)該指出，可以顛倒光源和傳感器的位置。該光管還包括一個(gè)或更多個(gè)光導(dǎo)管130。在該實(shí)施方式中，兩個(gè)光 導(dǎo)管隔開(kāi)間隙135。可以準(zhǔn)確地控制光導(dǎo)管和間隙的長(zhǎng)度。在該優(yōu)選實(shí)施 方式中，光導(dǎo)管是由具有不同長(zhǎng)度的透明的圓柱形丙烯酸桿構(gòu)成。桿的 直徑大約為5 mm。在該優(yōu)選實(shí)施方式中，使桿的直徑與LED 110以及光敏晶體管120 的直徑相同，以有助于編碼器的裝配，如圖9所示。作為優(yōu)點(diǎn)，在一端進(jìn)入導(dǎo)管的任何光束由于全內(nèi)反射而在相對(duì)端處 離開(kāi)導(dǎo)管。當(dāng)光束在導(dǎo)管的介質(zhì)邊界處折射時(shí)發(fā)生全內(nèi)反射，以有效地 將全部光反射回導(dǎo)管中。因此，如圖9所示，導(dǎo)管可以是彎曲的。用于表示或測(cè)量光強(qiáng)度的可選裝置160是連接到光傳感器。經(jīng)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(xù)值。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，裝置160可以是任何測(cè)量單元，例如為電的、 光學(xué)的或機(jī)械單元。還應(yīng)該指出，傳感器120可以是無(wú)源的可視的半透 明桿。在該情況下，只要光束穿過(guò)傳感器，在該傳感器中光束將是可視的。光導(dǎo)管沿著光束的光路設(shè)置在光源與光傳感器之間，從而光束的至 少一部分通過(guò)光導(dǎo)管，并且當(dāng)容器中存有液體時(shí)光束的至少另一部分通 過(guò)液體。應(yīng)該指出，光束可以是包括可見(jiàn)光、紅外線、紫外線或激光束 形式的任意光信號(hào)。如圖1所示，液體101的液面在間隙135之下。因此，感測(cè)到由光 源110發(fā)射的光束111，可以推斷出液位范圍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(cè)到由光 源110發(fā)射的光束111，可以推斷出液位范圍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， 并感測(cè)不到光，液位范圍105可能在間隙135之中。對(duì)于空氣/水界面， 內(nèi)反射的臨界角是48.75°或更大。通過(guò)精確地切割光導(dǎo)管的長(zhǎng)度，可以構(gòu)造液位編碼器，該液位編碼 器可以保持針對(duì)小的值范圍的液位，例如只保持針對(duì)在液位位于間隙中 時(shí)的那些值的液位。在操作過(guò)程中，隨著液位升高，每當(dāng)?shù)竭_(dá)間隙時(shí)，就可以增加液位 指示器，并隨著液位下降，可以減少液位指示器。因而，圖3中示出的 結(jié)構(gòu)可以指示液位的三個(gè)不同范圍。圖4A、 4B和4C示出具有單個(gè)光導(dǎo)管的另選結(jié)構(gòu)。如果液位在光導(dǎo) 管的范圍內(nèi)，則編碼器的輸出是邏輯"1"或"on",否則為邏輯"0"或 "off"。當(dāng)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(shí)，液位編碼器將總是處于on。圖5示出光管具有多個(gè)(例如6個(gè))光導(dǎo)管以及相應(yīng)的5個(gè)間隙以 表示11個(gè)不同液位的結(jié)構(gòu)。疊置的光管在圖6所示的本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，將多個(gè)光管601相鄰地"疊 置"在容器中，并且其中光導(dǎo)管和間隙具有不同的長(zhǎng)度。因此，可以構(gòu)造光學(xué)液位編碼器。只要液體-空氣界面105按照產(chǎn)生所希望的輸出序列 所需要的順序來(lái)覆蓋和露出光導(dǎo)管端部，就可以不必在任何特定的方向 的疊置。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，該輸出序列是格雷碼。 格雷碼格雷碼提供了 "二進(jìn)制數(shù)字的編碼，使得從一個(gè)值到下一個(gè)值只有 一位發(fā)生變化。作為優(yōu)點(diǎn)，格雷碼對(duì)于進(jìn)行液位編碼是有用的，因?yàn)橐?位中的微小位置變化只影響一個(gè)位。在常規(guī)的二進(jìn)制碼中，隨著液位上 升或下降跨過(guò)單個(gè)劃分線，可以改變多至n位，測(cè)量裝置的微小的未對(duì) 準(zhǔn)可以導(dǎo)致非常不正確的液位讀取。例如，從液位7移動(dòng)到液位8，即按二進(jìn)制從0111到1000，根據(jù)針 對(duì)4個(gè)信道中每一個(gè)中的0和1的單獨(dú)檢測(cè)器中的最微小的未對(duì)準(zhǔn)，這 可導(dǎo)致作為中間狀態(tài)的從0000到1111的16種可能結(jié)果中的任意一種。 因?yàn)楦窭状a每次只改變一位，最差情況的誤差是在任意方向的單個(gè)計(jì)數(shù), 并且該誤差只存在于制造過(guò)程中裝配的最大允許裝配未對(duì)準(zhǔn)。針對(duì)n位的二進(jìn)制反射格雷碼可以通過(guò)下面方法來(lái)構(gòu)建取n-l位 的格雷碼、以相反的順序重復(fù)它、接著對(duì)新碼的前半部分中的所有值前 附0并對(duì)該新碼的后半部分的所有值前附1。例如，二位格雷碼是0001 11 10以相反的順序重復(fù)該碼，得到0001 11 101011 01 00對(duì)前半部分中的每個(gè)值前附O，得到000001011010101101 00對(duì)后半部分中的每個(gè)值前附l，得到000001011010110111 101 100這是有效的三位格雷碼。無(wú)限地重復(fù)該過(guò)程，以得到任意希望長(zhǎng)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(zhuǎn)可產(chǎn)生其他有效的格雷碼。在上述實(shí)施例中，我們可旋轉(zhuǎn)二位碼00 01 11 10為01 0010 11這可產(chǎn)生三位碼001 000010011 Ul 110100 101圖6示出具有三個(gè)光管的液位編碼器，用于根據(jù)上述三位旋轉(zhuǎn)格雷 碼而進(jìn)行編碼。針對(duì)圖6中示出的液位，格雷碼是碼Oll。應(yīng)該理解，也可以對(duì)其他類(lèi)型的碼進(jìn)行編碼；這些碼不必是諸如二 進(jìn)制或格雷碼等的絕對(duì)碼。可以使用正交碼，作為虛擬絕對(duì)碼，其中正交碼提供了高的分解率， 并且第三代碼線路提供了唯一序列化簽名。由于液位微小地變化，唯一 序列化代碼線路的狀態(tài)產(chǎn)生僅能在一個(gè)位置中出現(xiàn)的唯一序列，從而給 出只有三個(gè)數(shù)據(jù)信道的絕對(duì)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(dǎo)管130、光源IIO 和傳感器120可以卡合到溝槽中。直接數(shù)字讀取型液位裝置也可以是如圖7所示的其他實(shí)施方式。在一個(gè)實(shí)施方式中，光管讀 出器完全是光學(xué)的。圖7示出經(jīng)常使用的常規(guī)7段式數(shù)值顯示裝置，以 表示數(shù)值數(shù)字，例如4。為了產(chǎn)生液位的數(shù)值顯示，我們確定針對(duì)哪一液 位范圍應(yīng)點(diǎn)亮哪一段，接著疊置適當(dāng)?shù)嘏帕械墓夤?，以產(chǎn)生該圖案。然 后可以將從各堆疊的發(fā)出的光以光學(xué)方式引導(dǎo)到該顯示器的適當(dāng)?shù)亩巍?該結(jié)構(gòu)給出了只使用光的液位的數(shù)值讀取。除了對(duì)光源的電源之外，不 需要移動(dòng)的部件或電子電路。不規(guī)則形狀的容器作為優(yōu)點(diǎn)，這里描述的液位編碼器可以使用不規(guī)則形狀的容器，如 圖9所示。對(duì)于這些容器，不可能使用諸如浮子的常規(guī)機(jī)械傳感器或需 要從光源到傳感器的直接路線的光的光學(xué)傳感器。這里，導(dǎo)管140使來(lái)
自光源110的光"彎曲"，繞過(guò)拐角，到達(dá)傳感器120。注意，在液位沒(méi) 改變太多的光管的部分中，導(dǎo)管的數(shù)量可以是稀疏的。盡管己通過(guò)優(yōu)選實(shí)施方式的實(shí)施例的方式描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理 解在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可做出各種其他的適應(yīng)和修改。因此，所附 的權(quán)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(fā)明的 真實(shí)精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種用于測(cè)量容器中的液位的裝置，該裝置包括光源，其被構(gòu)造成發(fā)射光束；光傳感器，其被構(gòu)造成感測(cè)所述光束；和布置在保存液體的所述容器中的光導(dǎo)管，該光導(dǎo)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(guò)光導(dǎo)管，并且當(dāng)所述容器保存有液體時(shí)使所述光束的至少另一部分通過(guò)液體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光束的所述另一部分相 對(duì)于液體液面呈一角度，以使光束在液體液面處被內(nèi)反射。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述角度大于內(nèi)反射的臨界角。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光導(dǎo)管是圓柱形的、透 明的、丙烯酸桿。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光導(dǎo)管、所述光源和所 述光傳感器的直徑基本上相同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述光源是發(fā)光二極管，所 述光傳感器是光敏晶體管。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光導(dǎo)管是直的。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光導(dǎo)管是部分彎曲的。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，按在多個(gè)導(dǎo)管之間存在多個(gè) 間隙的方式沿所述光束的光路布置所述多個(gè)導(dǎo)管。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述多個(gè)導(dǎo)管的長(zhǎng)度和所 述多個(gè)間隙的長(zhǎng)度是不同的。
11、 根據(jù)權(quán)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(gè)或多個(gè)光導(dǎo)管形成光管，并且該裝置還包括在容器中相互平行地疊置的多個(gè)光管。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的裝置，其中，所述多個(gè)光管的所述導(dǎo)管 的數(shù)量和所述導(dǎo)管的長(zhǎng)度將液位編碼為格雷碼。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的裝置，其中，所述光傳感器采用七段式 數(shù)值顯示裝置的元件的形式。
14、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述容器的形狀是不規(guī)則 的，所述多個(gè)導(dǎo)管將彎曲路徑中的光束從光源引導(dǎo)到所述光傳感器。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，當(dāng)液位與通過(guò)所述光導(dǎo)管 的所述光束的所述一部分相一致時(shí)，所述光傳感器感測(cè)到光束，并且當(dāng) 液位與通過(guò)液體的所述光束的所述另一部分相一致時(shí)，所述傳感器未感 測(cè)到光束。
16、 一種用于測(cè)量容器中的液位的裝置，該裝置包括-光源，其被構(gòu)造成發(fā)射光束；光傳感器，其被構(gòu)造成感測(cè)所述光束；和布置在保存液體的所述容器中的光導(dǎo)管，所述光導(dǎo)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(guò)光導(dǎo)管，并且當(dāng)所述容器保存有液體時(shí)所述光束的至少另一部分 通過(guò)所述液體，其中，僅當(dāng)液位與通過(guò)光導(dǎo)管的所述光束的所述一部分 相一致時(shí)，所述光傳感器感測(cè)到光束。
17、 一種用于測(cè)量容器中的液位的方法，該方法包括 從光源發(fā)射光束；使所述光束的至少一部分通過(guò)布置在用于保存液體的所述容器中的 光導(dǎo)管；當(dāng)所述容器保存有液體時(shí)，使所述光束的至少另一部分通過(guò)所述液 體；和僅當(dāng)所述液位與通過(guò)所述光導(dǎo)管的所述光束的所述一部分相一致 時(shí)，感測(cè)到所述光束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學(xué)液位編碼器。該裝置測(cè)量容器中的液位。光源發(fā)射光束。光傳感器感測(cè)所述光束。在保存液體的容器中設(shè)置光導(dǎo)管。該光導(dǎo)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(guò)光導(dǎo)管，并且當(dāng)容器保存有液體時(shí)所述光束的至少另一部分通過(guò)液體。當(dāng)液位與通過(guò)光導(dǎo)管的光束的所述一部分相一致時(shí)，所述光傳感器感測(cè)到光束，并且當(dāng)液位與通過(guò)液體的光束的所述另一部分相一致時(shí)，由于在液位處的內(nèi)反射，所述傳感器未感測(cè)到光束。
文檔編號(hào)G01F23/284GK101113921SQ200710139100
公開(kāi)日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2007年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月26日
發(fā)明者喬納森·韋斯特許斯, 保羅·H·迪茨, 大衛(wèi)·C·雷諾茲, 德克·布林克曼, 維廉·S·葉拉茲尼斯, 達(dá)雷恩·L·利 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社