专利名称：光学液位编码器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于测量容器中的液位的装置，更具体地涉及光 学地测量液位。
背景技术：
存在着有必要测量容器中的液体的量的许多应用。Holcomb等人在2004年9月30日提交的题为"Method and system for encoding fluid level"的美国专利申请10/955,485 (并授予为美国专利 6,992,757)描述了一种浮在液体表面上的浮子。该浮子机械地连接到旋 转的编码器盘(该编码器盘分割为透光区域和不透光区域)。 一组发光二 极管(LED)是与该盘的另一侧上的光传感器对齐，从而，由于该盘随 着浮子上下移动而旋转时，可以将液位编码。David Corven等人在2004年3月15日提交的题为"Optical fluid level monitor"的美国专利申请10/800,484 (即美国专利公报20050199833)描 述了一种包括显示器和光管(lightpipe)的光学传感器，该光管光学地连 接到该显示器并延伸到贮液器中所关注的高度，其中该光管是有这样的 材料形成该材料具有的折射率大于空气的折射率并且小于或等于液体 的折射率，而且光是光学地连接到该光管。该光管可以是玻璃杆或塑料 杆，或者是一束光纤。Lee等人在2002年10月9日提交的题为"Fluid container with level indicator,and fluid level indicator assembly for a fluid container"的美国专禾ll 申请10/267,965 (即美国专利6,805,070)描述了一种液位传感器，该液 位传感器在容器中包括视频显示器，该液位传感器使用多个毛细管，这 些毛细管在容器中在彼此不同的垂直高度处终止。Shi等人在2002年10月7日提交的题为"LCC-based fluid-leveldetection s画r"的美国专利申请10/265,954 (并授予为美国专利 6,949,758)描述了一种基于光通信信道(LCC)技术的液位传感器。该 LCC的一端连接到信号源，而另一端连接到传感器。将该LCC浸入液体 容器中，信号在该LCC中经受内反射并向连接到传感器的一端传播。通 过测量到达传感器的被该LCC反射的信号的强度来检测液位。在1998年12月29日授予Cowger的题为"Method and apparatus for detecting fluid level"的美国专利5,852,946描述了一种液位检测器，其用 于提供表示液体容器中的液位的信号。该液位检测器包括用于向液体容 器内的液体提供光的第一光导管部。设置第二光导管部来接收由第一光 导管部提供的光。还包括从第一光导管部向第二光导管部延伸的光路。 该光路具有随着液体容器内的液体量而变化的光路长度。该光路长度的 变化在第二光导管部处产生光强度的变化，这表示了液体容器中的液位。在1998年5月5日向Jung等人授予的题为"Apparatus and method for sensing fluid level"的美国专利5,747,824描述了垂直地布置于盒中的红外 LED的阵列和光传感器的阵列。在其上排列有LED的垂直线基本上平行 于在盒内的液位的方向。LED以与液面向上倾斜大约20度，这样，光束 不穿过液体/空气界面。根据许多的特性可以区分该Jung系统。首先，关于待测量的每一个 位高，系统要求用于待测量的每一个液位的光源和传感器对。第二，系 统不能针对单个源/传感器对检测在液位之上或之下有多远。第三，为了 准确读取多个位高，需要折流板来在各个角度处阻挡能量。对于可以散 射光的液体，相邻的传感器需要被正确地定向。发明内容本发明的实施方式提供了液位传感器。只有当液体在一定位高范围 内时，光学结构才阻挡光束的透射。该结构可以连续地叠置以构建编码 器信道，其响应于在多个范围中的液位。可以组合多个堆叠以构建递增 的、绝对的、或多种标准编码器拓扑中的任意一种。
图1至图3、图4A至图4C、图5和图6是根据本发明实施方式的 用于测量液位的光管的框图；图7是根据本发明实施方式的用于测量液位的具有7段式显示器的 光管的框图；图8是图6的光管的立体图；和图9是用于不规则形状容器的光管的侧视图。
具体实施方式
本发明的实施方式提供了用于测量容器中的液位的光学液位编码器o图1示出本编码器的基本"积木式"部件的结构。容器100部分地 填充有液体101和空气102。用标号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)、 光传感器120 (如光检测器)。应该指出，可以颠倒光源和传感器的位置。该光管还包括一个或更多个光导管130。在该实施方式中，两个光 导管隔开间隙135。可以准确地控制光导管和间隙的长度。在该优选实施 方式中，光导管是由具有不同长度的透明的圆柱形丙烯酸杆构成。杆的 直径大约为5 mm。在该优选实施方式中，使杆的直径与LED 110以及光敏晶体管120 的直径相同，以有助于编码器的装配，如图9所示。作为优点，在一端进入导管的任何光束由于全内反射而在相对端处 离开导管。当光束在导管的介质边界处折射时发生全内反射，以有效地 将全部光反射回导管中。因此，如图9所示，导管可以是弯曲的。用于表示或测量光强度的可选装置160是连接到光传感器。经编码 的输出值可以为"0" (off)或"1" (on)，或如下面所述的一些连续值。 本领域技术人员将认识到，装置160可以是任何测量单元，例如为电的、 光学的或机械单元。还应该指出，传感器120可以是无源的可视的半透 明杆。在该情况下，只要光束穿过传感器，在该传感器中光束将是可视的。光导管沿着光束的光路设置在光源与光传感器之间，从而光束的至 少一部分通过光导管，并且当容器中存有液体时光束的至少另一部分通 过液体。应该指出，光束可以是包括可见光、红外线、紫外线或激光束 形式的任意光信号。如图1所示，液体101的液面在间隙135之下。因此，感测到由光 源110发射的光束111，可以推断出液位范围105在间隙135之下或在间 隙135之上，即，容器几乎是空的或几乎是满的。如图2所示，液体IOI的液面在间隙135之上。因此，感测到由光 源110发射的光束111，可以推断出液位范围105在间隙135之上或在间 隙135之下，即，容器几乎是空的或几乎是满的。如图3所示，液位在间隙之中。因此，在液体/空气界面处反射光， 并感测不到光，液位范围105可能在间隙135之中。对于空气/水界面， 内反射的临界角是48.75°或更大。通过精确地切割光导管的长度，可以构造液位编码器，该液位编码 器可以保持针对小的值范围的液位，例如只保持针对在液位位于间隙中 时的那些值的液位。在操作过程中，随着液位升高，每当到达间隙时，就可以增加液位 指示器，并随着液位下降，可以减少液位指示器。因而，图3中示出的 结构可以指示液位的三个不同范围。图4A、 4B和4C示出具有单个光导管的另选结构。如果液位在光导 管的范围内，则编码器的输出是逻辑"1"或"on",否则为逻辑"0"或 "off"。当容器为图4A中的几乎空、图4B中的半满以及图4C中的几乎满 时，液位编码器将总是处于on。图5示出光管具有多个(例如6个)光导管以及相应的5个间隙以 表示11个不同液位的结构。叠置的光管在图6所示的本发明的另一实施方式中，将多个光管601相邻地"叠 置"在容器中，并且其中光导管和间隙具有不同的长度。因此，可以构造光学液位编码器。只要液体-空气界面105按照产生所希望的输出序列 所需要的顺序来覆盖和露出光导管端部，就可以不必在任何特定的方向 的叠置。在一个优选的实施方式中，该输出序列是格雷码。 格雷码格雷码提供了 "二进制数字的编码，使得从一个值到下一个值只有 一位发生变化。作为优点，格雷码对于进行液位编码是有用的，因为液 位中的微小位置变化只影响一个位。在常规的二进制码中，随着液位上 升或下降跨过单个划分线，可以改变多至n位，测量装置的微小的未对 准可以导致非常不正确的液位读取。例如，从液位7移动到液位8，即按二进制从0111到1000，根据针 对4个信道中每一个中的0和1的单独检测器中的最微小的未对准，这 可导致作为中间状态的从0000到1111的16种可能结果中的任意一种。 因为格雷码每次只改变一位，最差情况的误差是在任意方向的单个计数, 并且该误差只存在于制造过程中装配的最大允许装配未对准。针对n位的二进制反射格雷码可以通过下面方法来构建取n-l位 的格雷码、以相反的顺序重复它、接着对新码的前半部分中的所有值前 附0并对该新码的后半部分的所有值前附1。例如，二位格雷码是0001 11 10以相反的顺序重复该码，得到0001 11 101011 01 00对前半部分中的每个值前附O，得到000001011010101101 00对后半部分中的每个值前附l，得到000001011010110111 101 100这是有效的三位格雷码。无限地重复该过程，以得到任意希望长度 和分解率的格雷码。注意，上述格雷码不是唯一的一种可能形式；例如，有效格雷码的 旋转可产生其他有效的格雷码。在上述实施例中，我们可旋转二位码00 01 11 10为01 0010 11这可产生三位码001 000010011 Ul 110100 101图6示出具有三个光管的液位编码器，用于根据上述三位旋转格雷 码而进行编码。针对图6中示出的液位，格雷码是码Oll。应该理解，也可以对其他类型的码进行编码；这些码不必是诸如二 进制或格雷码等的绝对码。可以使用正交码，作为虚拟绝对码，其中正交码提供了高的分解率， 并且第三代码线路提供了唯一序列化签名。由于液位微小地变化，唯一 序列化代码线路的状态产生仅能在一个位置中出现的唯一序列，从而给 出只有三个数据信道的绝对高度。图8示出如何叠置光管。例如，由塑料形成壳体810。该壳体包括 沟槽811。该沟槽的一部分812略微呈圆形，使得光导管130、光源IIO 和传感器120可以卡合到沟槽中。直接数字读取型液位装置也可以是如图7所示的其他实施方式。在一个实施方式中，光管读 出器完全是光学的。图7示出经常使用的常规7段式数值显示装置，以 表示数值数字，例如4。为了产生液位的数值显示，我们确定针对哪一液 位范围应点亮哪一段，接着叠置适当地排列的光管，以产生该图案。然 后可以将从各堆叠的发出的光以光学方式引导到该显示器的适当的段。 该结构给出了只使用光的液位的数值读取。除了对光源的电源之外，不 需要移动的部件或电子电路。不规则形状的容器作为优点，这里描述的液位编码器可以使用不规则形状的容器，如 图9所示。对于这些容器，不可能使用诸如浮子的常规机械传感器或需 要从光源到传感器的直接路线的光的光学传感器。这里，导管140使来
自光源110的光"弯曲"，绕过拐角，到达传感器120。注意，在液位没 改变太多的光管的部分中，导管的数量可以是稀疏的。尽管己通过优选实施方式的实施例的方式描述了本发明，但应该理 解在本发明的精神和范围内可做出各种其他的适应和修改。因此，所附 的权利要求的目的是覆盖所有这些变化和修改，只要它们落入本发明的 真实精神和范围之内。
权利要求
1、一种用于测量容器中的液位的装置，该装置包括光源，其被构造成发射光束；光传感器，其被构造成感测所述光束；和布置在保存液体的所述容器中的光导管，该光导管沿着所述光束的光路布置在所述光源与所述光传感器之间，使得所述光束的至少一部分通过光导管，并且当所述容器保存有液体时使所述光束的至少另一部分通过液体。
2、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述光束的所述另一部分相 对于液体液面呈一角度，以使光束在液体液面处被内反射。
3、 根据权利要求2所述的装置，其中，所述角度大于内反射的临界角。
4、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述光导管是圆柱形的、透 明的、丙烯酸杆。
5、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述光导管、所述光源和所 述光传感器的直径基本上相同。
6、 根据权利要求l所述的装置，其中，所述光源是发光二极管，所 述光传感器是光敏晶体管。
7、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述光导管是直的。
8、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述光导管是部分弯曲的。
9、 根据权利要求1所述的装置，其中，按在多个导管之间存在多个 间隙的方式沿所述光束的光路布置所述多个导管。
10、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述多个导管的长度和所 述多个间隙的长度是不同的。
11、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源、所述光传感器 以及所述光束的光路中的一个或多个光导管形成光管，并且该装置还包括在容器中相互平行地叠置的多个光管。
12、 根据权利要求ll所述的装置，其中，所述多个光管的所述导管 的数量和所述导管的长度将液位编码为格雷码。
13、 根据权利要求ll所述的装置，其中，所述光传感器采用七段式 数值显示装置的元件的形式。
14、 根据权利要求9所述的装置，其中，所述容器的形状是不规则 的，所述多个导管将弯曲路径中的光束从光源引导到所述光传感器。
15、 根据权利要求1所述的装置，其中，当液位与通过所述光导管 的所述光束的所述一部分相一致时，所述光传感器感测到光束，并且当 液位与通过液体的所述光束的所述另一部分相一致时，所述传感器未感 测到光束。
16、 一种用于测量容器中的液位的装置，该装置包括-光源，其被构造成发射光束；光传感器，其被构造成感测所述光束；和布置在保存液体的所述容器中的光导管，所述光导管沿着所述光束 的光路布置在所述光源与所述光传感器之间，使得所述光束的至少一部 分通过光导管，并且当所述容器保存有液体时所述光束的至少另一部分 通过所述液体，其中，仅当液位与通过光导管的所述光束的所述一部分 相一致时，所述光传感器感测到光束。
17、 一种用于测量容器中的液位的方法，该方法包括 从光源发射光束；使所述光束的至少一部分通过布置在用于保存液体的所述容器中的 光导管；当所述容器保存有液体时，使所述光束的至少另一部分通过所述液 体；和仅当所述液位与通过所述光导管的所述光束的所述一部分相一致 时，感测到所述光束。
全文摘要
本发明提供一种光学液位编码器。该装置测量容器中的液位。光源发射光束。光传感器感测所述光束。在保存液体的容器中设置光导管。该光导管沿着光束的光路布置在光源与光传感器之间，使得光束的至少一部分通过光导管，并且当容器保存有液体时所述光束的至少另一部分通过液体。当液位与通过光导管的光束的所述一部分相一致时，所述光传感器感测到光束，并且当液位与通过液体的光束的所述另一部分相一致时，由于在液位处的内反射，所述传感器未感测到光束。
文档编号G01F23/284GK101113921SQ200710139100
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月25日 优先权日2006年7月26日
发明者乔纳森·韦斯特许斯, 保罗·H·迪茨, 大卫·C·雷诺兹, 德克·布林克曼, 维廉·S·叶拉兹尼斯, 达雷恩·L·利 申请人:三菱电机株式会社