定量管中液面透光特性的研究

趙金寶 馬永躍

摘要：為了提高液位定量管中液面檢測精度。設計了一套檢測裝置，精確測量液面經過光電檢測器的過程中，光電信號的變化特征曲線。

Abstract： In order to improve the detection accuracy of the liquid level in the liquid level quantitative tube. A set of testing device is designed to measure the change characteristic curve of the photoelectric signal when the liquid level passes the photoelectric detector.

關鍵詞： 液位定量管；水質分析儀；光電技術

Key words： liquid level quantitative tube；water quality analyzer；photoelectric technology

中圖分類號：X851 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0121-02

0 引言

定量系統是水質分析儀的關鍵技術之一。定量系統的定量精度直接影響分析儀的測量精度。目前定量系統采用的定量技術主要有定量環、定量泵、注射泵和液位定量管等。液位定量管主要優點是結構簡單，成本低。因此液位定量管在水質分析儀中的應用比較廣泛。但定量精度和對不同溶液的穩定性一直是困擾液位定量管應用的難題。

本文采用高精度抗干擾的紅外對管測量電路，對定量管中凹液面不同位置對紅外線透射率的影響，進行精確測量。從凹液面的特征曲線中找出凹液面底部的特征，從而對凹液面底部進行定位，實現定量管的精確定量。

1 系統總體設計

1.1 系統結構

本系統由光信號測量單元、液路控制單元和MPU控制單元組成。

其中的光路測量單元由一對紅外對管、信號調制與測量電路組成。紅外對管的安裝位置如圖1所示。本系統光學測量單元采用紅外對管，可以排除外界可見光干擾。紅外對管的驅動采用高頻調制信號，可以提高測量系統的穩定性。

液路輸送單元由液位定量管、蠕動泵、泵電機驅動以及水管組成。蠕動泵通過水管將不同液體輸送到液位定量管。MPU控制單元，由STM32103RB微控器，RS232接口芯片和IO接口組成。控制單元通過RS232接口芯片與上位機通信，將測量數據實時上傳到PC機。

系統電路結構圖如圖2所示。

1.2 控制測量方案設計

第一步將液體抽至紅外對管上部約1厘米處。

第二步控制水泵，使液體以0.5mm/s的速度下降，同時以1ksps的速率采集數據，并將數據實時上傳至PC機。

第三步液面低于紅外對管約1厘米時，停止數據采集。

第四步重復前三步驟，采集下一組數據。

2 主要硬件電路設計

系統采用16位ADC，串口發送采用無校驗，一位停止位模式，如果滿足1ksps的采樣率，則串口波特率至少需要20bits/s的波特率。STM32F103RB單片機內置有UART串口，最高波特率可達到4.5Mbits/s[6]。在實際使用中，串口波特率采用115200bits/s，完全滿足設計需求。本文重點介紹其他關鍵硬件電路設計

2.1 光源調制電路設計

本系統采用紅外對管，可以減小外界可見光干擾。為了進一步減少外界背景紅外光的干擾，本系統對紅外二極管采用ASK調制，從而剔除背景紅外光的信號。同時為了光源的穩定，本系統電路還對紅外二極管的電流采用恒流控制。實現原理如圖3所示。

2.2 信號檢測電路

由于紅外LED采用的ASK調制，信號檢測需要通過均值濾波還原紅外光信號強度。同時在電壓放大之前應進行工頻陷阱濾波以及低通巴特沃斯濾波，增加系統的抗干擾能力。然后根據AD轉換芯片的特點放大電壓信號，此裝置選擇的16位逐次逼近型AD芯片LTC1864，采用單5V工作電源，內部包括采樣及保持電路，通過三線式串行I/O進行讀取數據，電路設計簡單，精度及穩定性能較好。最終由單片機進行數據處理。圖4為信號檢測原理框圖。

3 測試結果（如圖5 所示）

4 結語

通過測試結果曲線可以看出，本測試系統的重復性和一致性非常好，通過判斷數據變化率，可以精準判斷凹液面的位置。

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