专利名称：脉冲输出式电子量筒的制作方法
技术领域：
本实用新型脉冲输出式电子量筒是一种自动测量玻璃量筒内液体体积的装置。属于物理技术仪器类的测量领域。
在现有技术条件下，对玻璃量筒内液体体积的测量是以量筒上的刻线为基准，以人的视线与量筒内液体的下液面平行，用目测的方法读取数据。这种传统的目测法受人为因素的影响，加之视线对液面的定位精度低，读取速度慢，所以读取的数据与真值存在不同程度的误差，而且这种方法不能直接向微机传输数据，这对于需要动态精确体积数据的各类仪器和设备实现自动化形成了严重障碍。
本实用新型的目的是采用现代精密机械、电子技术和光学技术相结合的方法实现对量筒内液体体积数据的快速精确测量，从而解决了当前目测法所存在的精度低、速度慢，无法向微机直接传输数据的问题，为需要动态精确体积数据的各类仪器和设备实现自动化提供了一种新技术。
本实用新型的技术方案是采用一个玻璃量筒体，通过红外线液位检测器检测量筒体内液体的下液面，用丝杠转动带动螺母连动板及红外线液位检测器运动，经自动控制单元控制跟踪量筒体内液体下液面，通过红外线缝隙检测器和量化器将量筒体内液面为零时的基面即零位面至量筒体内液体下液面的距离进行量化，量化结果以能被微机识别的脉冲形式输出，综合量筒体的内截面，实现量筒体内液体体积的精确测量，其结构由五部分组成。
一、玻璃量筒体单元玻璃量筒体由内径均匀的透明玻璃管量筒、量筒底、及耐腐密封圈组成。选用内径均匀的玻璃管即能保证将量筒的满量程沿量筒轴心方向均匀量化，又可保证量筒的互换性。量筒底由耐腐材料加工而成，并可与量筒体分离，这样即可保证量筒的零位面平整，实现全量程量化均匀，又能方便量筒体的清洗及更换。耐腐密封圈的作用是防止量筒内液体由量筒体与量筒底连接缝隙向外渗漏。
二、光电液位检测单元光电液位检测单元由红外线液位检测器及相关电路组成。其作用是准确捕捉被测量筒内液体的下液面。红外线液位检测器由红外线发射管、红外线接收管及固定支架构成。当红外线发射管发出的红外线光束穿过量筒无溶液部位时，红外线光束可直接照射到红外线接收管，红外线接收管受光后发出低电位信号，当红外线发射管发出的红外线光束穿过量筒有溶液部位时，由于光的折射作用红外线光束照射不到红外线接收管，红外线接收管不受光则发出高电位信号，高低电位信号交界处即是液面位置。
三、机电跟踪单元机电跟踪单元由底台、驱动电机、丝杠、螺母连动板、限位杠、上、下固定板组成。其作用是在自动控制单元的控制下，使与丝杠配合的螺母连动板在丝杠上沿丝杠做上下移动。驱动电机为低转速可逆电动机，受自动控制单元控制作正向或反向转动，并带动丝杠作同步转动。这样就可使与丝杠相配合的螺母连动板沿丝杠作上下移动。丝杠、限位杠、上、下固定板构成一个牢固的垂直面定位体，以确保螺母连动板随丝杠转动并沿丝杠轴向移动。
四、自动控制单元自动控制单元由电子线路组成。它一方面可根据红外线液位检测器输入的电位信号的高低，经放大、整形处理后，向机电跟踪单元输出控制驱动电机的跟踪控制信号和跟踪停止信号。另一方面又可输出使驱动电机强行反转的复位控制信号，当红外线液位检测器回到被测量筒的零位时，零位电机控制开关被切断，驱动电机失电停转，红外线液位检测器停在被测量筒的零位。
五、量化处理单元量化处理单元由量化器、红外线缝隙检测器、信号转换电路及零位电机控制开关组成。它的作用一是将被测量筒的满量程高度以一定的量化单位均匀分割。二是自动切断零位电机控制开关，使红外线液位检测器回到被测量筒的零位。红外线缝隙检测器由红外线发射管、红外接收管及固定支架组成。它的作用是当量化器的透光缝经过红外线缝隙检测器时输出一个电脉冲。信号转换电路的作用是将红外线缝隙检测器输出的电脉冲信号转换成能被微机识别的数字脉冲。根据被测量筒的量程和分辨率，量化器可以有两种不同的结构形式，一种是标尺型量化器由标尺和在标尺上的透光缝构成。假定量筒的内截面为S，零位面至满量程高度为H，要求其分辨率达到Δv1，则对应于该分辨率的高度h＝Δv1/S，与之相对应的标尺型量化器可为将一高度大于H的标尺按h的间隔进行缝隙分割，这就相当于将该量筒接Δv1分割。与这种结构的量化器相对应的红外线缝隙检测器与光电液位检测单元的红外线液位检测器一起固定在机电跟踪单元的螺母连动板上，由于红外线液位检测器始终跟踪量筒内下液面，所以红外线缝隙检测器就随量筒内液面的变化沿标尺移动，每经过一个透光缝隙就输出一个脉冲信号，该信号经信号转换电路后，即变换成可被微机识别的数字脉冲，每个脉冲所对应的液体体积为Δv1。另一种是分度型量化器由丝杠、分度盘、分度盘上的透光缝构成。它的作用一是将被测量筒的满量程高度以一定的量化单位均匀分割。二是向自动控制单元输出零位信号。分度盘的结构为将一圆盘按等角度进行缝隙分割，则分度盘上的缝隙数N为N＝360/，再将之固定于丝杠上端，并与丝杠同心，与这种结构对应的红外线缝隙检测器固定在机电跟踪单元的上固定板上，并保证分度盘上的透光缝能穿过红外线缝隙检测器，这样，丝杠转动一周，螺母连动板和红外线液位检测器随丝杠移动距离为丝杠螺距T，红外线缝隙检测器输出脉冲数为N，与相邻两个脉冲对应的红外线液位检测器的移动距离h＝T/N，设量筒内截面为S，则最小量化单位是Δv2＝S×h，由红外线缝隙检测器输出的脉冲信号经信号转换电路后即变换成可被微机识别的数字脉冲，每个脉冲所对应的液体体积为Δv2。
本实用新型的优点和积极效果是对量筒内液体体积进行自动测量，可大大提高测量精度和速度，并可直接向微机传输数据，实现对量筒内液体体积数据的快速精确测量，从而消除了人为因素的影响，解决了目测法所存在的精度低、速度慢、无法向微机直接传输数据的问题。为量筒体内液体体积数据的采集提供了一种自动化检测手段。
图1量筒体与标尺结构示意图、图2脉冲输出式电子量筒主视图、图3脉冲输出式电子量筒左示图、图4脉冲输出式电子量筒俯示图、图5分度盘放大图、图6脉冲输出式电子量筒电路图、1透明玻璃管量筒、2密封圈压盖、3耐腐密封圈、4紧固螺钉、5A量筒底、5B量筒底、AI型量筒体由(1)、(3)、(5A)组成，BII型量筒体由(1)、(2)、(3)、(4)、(5B)组成、6标尺、6A标尺上的透光缝、7分度型红外线缝隙检测器固定支架、8分度型红外线缝隙检测器红外线发射管(VH3)、9分度型红外线缝隙检测器红外线接收管(VT3)、C分度型红外线缝隙检测器由(7)、(8)、(9)组成、10分度盘、10A分度盘上的透光缝、11上固定板、12丝杠、13螺母连动板、14限位杆、15零位电机控制开关(K1)、16下固定板、17底台、18驱动电机(M)、19单元电路主机板、20绝缘垫片、21紧固螺钉、22标尺型红外线缝隙检测器红外线发射管(VH2)、23标尺型红外线缝隙检测器红外线接收管(VT2)、24红外线液位检测器固定支架、25红外线液位检测器红外线发射管(VH1)、26红外线液位检测器红外线接收管(VT1)、27标尺型红外线缝隙检测器固定支架、D标尺型红外线缝隙检测器由(22)、(23)、(27)组成、E红外线液位检测器由(24)、(25)、(26)组成、G标尺型量化器由(6)、(6A)组成、P分度型量化器由(10)、(10A)、(12)组成。
结合附图对本实用新型的实施例作进一步描述玻璃量筒体有两种结构形式，其中AI型量筒体由透明玻璃管量筒(1)、耐腐密封圈(3)和量筒底(5A)组成；BII型量筒体由透明玻璃管量筒(1)、密封圈压盖(2)、耐腐密封圈(3)、紧固螺钉(4)和量筒底(5B)组成。
光电液位检测单元由红外线液位检测器(E)和相关电路组成。当红外线液位检测器的红外线发射管VH1(25)发出的红外线光束穿过量筒(1)无溶液部位时，红外线光束可直接照射到红外线液位检测器的红外线接收管VT1(26)，VT1受光后发出低电位信号。如果VH1发出的红外线光束穿过量筒(1)有溶液部位时，由于光的折射作用红外线光束照射不到红外线接收管VT1(26)，红外线接收管VT1(26)发出高电位信号，高、低电位信号交界处即是液面位置。
机电跟踪单元由底台(17)、驱动电机(18)、丝杠(12)、螺母连动板(13)、限位杠(14)、上固定板(11)，下固定板(16)组成。其作用是在自动控制单元检测信号的控制下，使驱动电机(18)转动，带动丝杠(12)转动，驱动螺母连动板(13)沿限位杠(14)作上下移动，直至检测信号归零为止。
自动控制单元由图6电子线路组成。R1、R3、R5为偏流电阻，R2、R4、R6为偏置电阻，R7、R8、R9为上拉电阻，R10、R11、R12为调节电位器，B1、B2、B3为电压比较器，Y1、Y2、Y3为与门，F为非门，K1为零位电机控制开关，K2为控制开关，J1、J2为固态继电器。根据红外线液位检测器输入的高低电位信号，经放大、整形处理后，向驱动电机(18)输出跟踪控制信号。又可输出使驱动电机(18)强行反转的复位控制信号。当红外线液位检测器(E)回归到量筒(1)的零位面时，零位电机控制开关K1(15)断开，驱动电机(18)停止转动。红外线液位检测器的红外线接收管VT1(26)的电位输出信号输入到电压比较器(B1)的正输入端，电位器(R10)为电压比较器(B1)的门限电压调节器，该电压输入到电压比较器(B1)的负输入端。调节电位器(R10)可使电压比较器(B1)正常工作，即输入高电位时输出也是高电位，输入低电位时输出也是低电位。电压比较器(B1)的输出信号输入与门(Y1)的一端。
控制开关(K2)接地，控制信号为低电位，与门(Y1)、(Y2)、(Y3)被关闭，与门(Y1)输出为低电位，固态继电器(J1)停止工作。与门(Y2)、(Y3)无脉冲输出，非门(F)输出高电位，固态继电器(J2)开始工作，系统强行复位。当红外线液位检测器(E)回归到被测量筒(1)的零位时，零位电机控制开关(K1)被切断，驱动电机(18)停止工作。将控制开关(K2)接正电源，控制信号变为高电位，与门(Y1)、(Y2)、(Y3)被打开，与门(Y1)的输出与电压比较器(B1)的输出相同，进入自动跟踪状态，由与门(Y2)输出对应分辨率为ΔV1并可为微机识别的脉冲信号，由与门(Y3)输出对应分辨率为ΔV2并可为微机识别的脉冲信号。
实际应用时，可采用某种量化器的单输出结构，采用标尺型量化器输出的结构时，由标尺(6)、标尺上的透光缝(6A)、标尺型红外线缝隙检测器(D)、电压比较器(B2)、电阻(R3、R4、R8)、电位器(R11)、与门(Y2)组成。当标尺型红外线缝隙检测器的红外线发射管VH2发出的红外线光束穿过标尺(6)上透光缝(6A)时，红外线光束可直接照射到红外线缝隙检测器的红外线接收管VT2，VT2受光后发出低电位信号。如果VH2发出的红外线光束被标尺(6)不透光部分遮挡时红外线光束照射不到红外线接收管VT2，VT2不受光发出高电位信号，红外线缝隙检测器的红外线接收管VT2的电位输出信号输入到电压比较器(B2)的正输入端，电位器(R11)为电压比较器(B2)的门限电压调节器，该电压输入到电压比较器(B2)的负输入端。调节电位器(R11)可使电压比较器(B2)正常工作即输入高电位输出也是高电位，输入低电位输出也是低电位。高低电位交替变化形成脉冲信号。电压比较器(B2)的输出信号输入到与门(Y2)的一端。由与门(Y2)输出对应分辨率为ΔV1的连续脉冲。同理类比，采用分度型量化器输出的结构时，由分度型红外线缝隙检测器(C)、电阻(R5、R6、R9)、电位器(R12)、电压比较器(B3)、与门(Y3)、分度盘(10)、分度盘上的透光缝(10A)和丝杠(12)组成。分度型红外线缝隙检测器(C)的检测信号经电压比较器(B3)处理后输出到与门(Y3)的一端，由与门(Y3)输出对应分辨率为ΔV2的连续脉冲。由与门(Y2、Y3)输出的连续脉冲送到与之连接仪器的中央处理器(CPU)上。
各部件之间的连接关系如下丝杠(12)安装在底台(17)上与底台垂直；红外线液位检测器(E)和标尺型红外线缝隙检测器(D)安装在螺母连动板(13)上；被测量筒(AI)或(BII)放在底台(17)上，并与丝杠(12)平行，使红外线液位检测器(E)的红外光束能穿过量筒(1)的一侧，并保证红外线液位检测器(E)随螺母连动板(13)沿丝杠轴向上下移动；标尺(6)安装在上、下固定板(11、16)上，并与丝杠(12)平行，其下端透光缝与量筒(1)的零位面平行，并使红外线缝隙检测器(D)套在标尺(6)上有透光缝(6A)的一侧，并且随螺母连动板(13)沿标尺(6)移动；分度盘(10)安装在丝杠(12)顶端，与丝杠(12)同心并且随丝杠同步转动，与之对应的分度型红外线缝隙检测器(C)安装在上固定板(11)上，并保证分度盘(10)上的透光缝(10A)能使红外线缝隙检测器(C)的红外线光束穿过；零位电机控制开关K1(15)安装在下固定板(16)上，与量筒(1)的零位面在同一水平面上；驱动电机(18)安装在底台(17)台面的下面；电子元器件安装在单元电路板(19)上，单元电路板(19)加上绝缘垫片(20)用紧固螺钉(21)安装在底台(17)台面的下面；限位杠(14)安装在上、下固定板(11、16)上与底台(17)垂直。
本实用新型的工作过程如下先将控制开关K1接地，向机电跟踪系统发出强行复位信号，当红外线液位检测器(E)回到被测量筒(1)的零位时，零位电机控制开关K2(15)被切断，驱动电机(18)停止转动，红外线液位检测器(E)停在被测量筒(1)的零位面上。然后将控制开关K2接正电源，进入自动跟踪状态，红外线液位检测器(E)向控制电路输出电位信号，如有液体遮挡，则信号为高电位，否则为低电位，当红外线液位检测器(E)输出为高电位时，自动控制单元向机电跟踪单元输出跟踪控制信号，驱动电机(18)转动，红外线液位检测器(E)、螺母连动板(13)及标尺型红外线缝隙检测器(D)一起向液面方向移动，红外线缝隙检测器(D)每经过标尺(6)上的透光缝(6A)，就输出一脉冲信号，脉冲信号经电压比较器(B2)处理后由与门(Y2)输出，当红外线液位检器(E)到达液面位置时，输出低电位，自动控制单元向机电跟踪单元输出控制信号，驱动电机(18)停止转动，如果继续向量筒(1)内注入液体，则液面升高，红外线液位检测器(E)受遮挡输出高电位，自动控制单元向机电跟踪单元输出跟踪控制信号，驱动电机(18)转动，红外线液位检测器(E)、螺母连动板(13)及红外线缝隙检测器(D)一起向液面方向移动，与门(Y2)继续向外输出脉冲，其对应的分辨率为Δv1。由于分度盘(10)随丝杠(12)同步转动，分度盘(10)每转过一个角度Φ，就有一个透光缝(10A)经过分度型红外线缝隙检测器(C)，红外线缝隙检测器(C)就有一个脉冲信号输出，经电压比较器(B3)处理后由与门(Y3)输出对应的分辨率为Δv2的连续脉冲。
实际应用时，可单独采用标尺型红外线缝隙检测器(D)和标尺型量化器，也可单独采用分度型红外线缝隙检测器(C)和分度型量化器，都能达到使用要求。
本实用新型所采用的电子元器件及机电部件其规格型号如下R1、R3、R5为1/4W120Ω金属膜电阻；R2、R、R6为1/4W68KΩ金属膜电阻；R7、R8、R9为1/4W12KΩ金属膜电阻；R10、R11、R12为5KΩ线绕电位器；与门Y1、Y2、Y3为74LS08型；非门F为CD4069型；固态继电器J1、J2为S203ZL型；零位电机控制开关K1为KWX-1型，控制开关K2为NX-2型；红外线发射管VH1、VH2、VH3为HD311型；红外线接收管VT1、VT2、VT3为3DU33型；驱动电机M为ND-TD-J2型；电压比较器(B1、B2、B3)为LM339型；脉冲输出式电子量筒供电电源有AC-15V.DC-5V。
权利要求1.一种由AI型量筒体或BII型量筒体、标尺型量化器(G)、分度型量化器(P)、上固定板(11)、丝杠(12)、螺母连动板(13)、限位杠(14)、零位电机控制开关(15)、下固定板(16)、底台(17)、驱动电机(18)、单元电路主机板(19)组成的脉冲输出式电子量筒，其特制在于在上固定板(11)下固定板(16)之间平行的装有标尺型量化器(G)、两根限位杠(14)、丝杠(12)，且与上固定板(11)、下固定板(16)保持垂直，下固定板(16)固定在底台(17)的台面上；在丝杠(12)上配合装有螺母连动板(13)，在螺母连动板(13)上装有标尺型红外线液位检测器(E)、标尺型红外线缝隙检测器(D)；在丝杠(12)的顶端装有带透光缝(10A)的分度盘(10)；在上固定板(11)上装有分度型红外线缝隙检测器(C)；在下固定板(16)上装有零位电机控制开关(15)，零位电机控制开关(15)与量筒体(AI)或量筒体(BII)的零位面在同一水平面上；在底台(17)的台面下部装有驱动电机(8)，单元电路主机板(19)；在底台(17)的台面上放置量筒体(AI)或量筒体(B2)。
2.如权利要求1所述的脉冲输出式电子量筒，其特征在于红外线液位检测器(E)是由装在红外线液位检测器固定支架(24)上的红外线液位检测器的红外线发射管VH1(25)、红外线液位检测器的红外线接收管VT1(26)组成；标尺型红外线缝隙检测器(D)是由装在红外线缝隙检测器固定支架(27)上的标尺型红外线液位检测器的红外线发射管VH2(22)、标尺型红外线缝隙检测器的红外线接收管VT2(23)组成；分度型红外线缝隙检测器(C)是由装在分度型红外线缝隙检测器固定支架(7)上的分度型红外线缝隙检测器的红外线发射管VH3(8)、分度型红外线缝隙检测器的红外线接收管VT3(9)组成；AI型量筒体由透明玻璃管量筒(1)、耐腐密封圈(3)和量筒底(5A)构成；BII型量筒体由透明玻璃管量筒(1)、密封圈压盖(2)、耐腐密封圈(3)紧固螺钉(4)和量筒底(5B)组成。
3.如权利要求1所述的脉冲输出式电子量筒，其特制在于标尺型量化器(G)由标尺(6)和标尺上的透光缝(6A)组成，分度型量化器由分度盘(10)、分度盘上的透光缝(10A)和丝杠(12)组成。
4.如权利要求1～3所述的脉冲输出式电子量筒，其特制在于在单元电路主机板(19)上装有电阻(R1-R9)、调压电位器(R10-R12)、与门(Y1-Y3)、非门(F)、固态继电器(J1、J2)、电压比较器(B1、B2、B3)。
专利摘要本实用新型脉冲输出式电子量筒是一种自动测量玻璃量筒内液体体积的装置。属于物理技术仪器类的测量领域。一个玻璃量筒体,通过红外线液位检测器、自动控制单元和机电跟踪单元自动检测并跟踪量筒体内液体的下液面,通过量化处理单元将量筒体内的零位面至量筒体内部液体下液面的距离量化,其结果以微机能识别的脉冲形式输出,综合量筒体的内截面,实现量筒体内液体体积的快速、精确测量。是一种集机械、电子、光学为一体的自动化检测新技术。
文档编号G01F23/02GK2294461SQ9721529
公开日1998年10月14日 申请日期1997年4月25日 优先权日1997年4月25日
发明者管长勇, 李长军 申请人:管长勇, 李长军