1 引 言
液位测量广泛用于石油、化工、电力等流程工业中,根据不同场合和不同要求可以采用不同的液位测量方法。在使用石油产品蒸馏实验仪时,需要检测玻璃量筒中的馏出液的实时液位,而一般的浮子法、电容法、电感法等在这里均不适用。目前石油产品蒸馏实验仪馏出液体的液位测量工作主要是目测进行,测量精度低且不能实现实时和多路检测。结合对石油产品蒸馏实验仪进行智能化改造的需求,我们研究了用接触式图像传感器(CIS)进行实时液位测量的方法,通过光电非接触方式对玻璃量筒中油品的液位进行实时自动检测,用单片机完成测量 数据的自动采集、存储和后续数据处理[1]。
2 系统组成与工作原理
系统硬件主要包括CIS模块、PIC16F877单片机、GAL逻辑器件组成的时序驱动电路以及线状光源等,如图1所示。
该系统工作原理是,待测液体流入量筒,线状光源和CIS模块合理地安装在量筒的两侧,图像传感器获得液面以上和液面以下的视频信号,经后续处理,送入单片机完成数据计算、参数分析及液位显示[2]。
系统中所用CIS是一种新型的光电图像传感器,其结构如图2所示。它由LED光源阵列、杆状透镜阵列、光电传感器阵列及其电路板、保护玻璃、接口、塑料外壳等组成。该CIS的物理分辨率为200dpi(8 dots/mm),有效扫描长度为216mm,共有1 728个传感器像素单元。
3 CIS测量系统中光源的设计分析
实验初期,按CIS的一般使用方法,让CIS模块内LED的光线射到量筒表面,通过检测反射光的强弱来获得液面信号。但发现液面上下反射光的光强差别较小,使后续的图像信号处理难以进行。
经过进一步实验,注意到液体和空气的折射率不同,量筒中液体柱和空气柱的透射光路就不同,其聚光能力也就不同,也即量筒中液体段和空气段形成透镜的焦距不同。线状光源发出的光透过量筒的空气段和液体段后,所形成的像有很大差别。据此,我们首次提出用CIS检测透射光的方法来测量量筒中的液面位置[3]。
3.1 不同光源对测量精度的影响
根据上述测量原理,选用和设计了不同的光源,并对其测量效果进行了对比分析研究。
首先,我们将白炽灯置于黑箱中部,在黑箱上刻出一条2mm×300mm的狭缝。白炽灯光线经过狭缝产生线状光源。实验发现,当液面高度保持不变时,液位显示值(数码管显示)却一直在变化,其波动峰值大约为2.5mm。而且随着液面的升高,所测液面数值的波动幅度先由大到小,而后由小变大。为了研究液位显示值为何波动,将液位视频信号滤波之后,通过数字示波器来观察液位变化时CIS的输出信号,如图3所示。
图中高电平为量筒液体段对应的输出信号,低电平为量筒空气段对应的输出信号,过渡带的三条线表明,电平信号由高到低的过渡是不稳定的。实验发现,随着液面高度的增加,图中所示过渡带先由宽到窄,而后由窄变宽。与此相应,过渡带电平轮廓线的稳定性由差变好,而后由好变差。反应在液面高度数值上就出现上述的数值波动现象。分析其原因,白炽灯形成的狭缝光源是一个散射光源,散射光经过盛有液体的量筒后,其所成的像存在一个比较大的不稳定过渡带。排除了电路可能造成的影响后,我们认为白炽灯光源是造成液面测量值不稳定的主要原因。
为此,在光学实验室采用平行光源做了对比实验。我们设想,平行光经过量筒之后,液面上下所对应的像应该存在明显区别,不会产生象白炽灯那样宽的过渡区域,那么就不会出现测量结果的不稳定现象。采用平行光源的实验结果验证了我们的设想,所测量的液面高度在整个液面测量范围内都比较稳定。实验中的平行光是通过平行光管获得的。
由此看来选用线状平行光源是解决问题的关键,但由于平行光源的特殊性,在这里选用平行光源并不合适。经过进一步选择研究,我们选用荧光灯做线状光源,其光源尺寸为2mm×300mm。与白炽灯相比,它在整个线状区域内,光强分布均匀得多。实验结果如图4所示:
可以看出,其过渡带的区域比用白炽灯时明显变窄,而且也比较稳定,液面高度测量数值的最大波动也只有1.25mm的幅值,效果明显优于白炽灯所构成的线状光源情况。实验所用的荧光灯即市售的普通小型荧光灯管。
3.2 用Tracepro软件对光源进行仿真分析
从以上对比实验中,发现由于液面段所对应像的不稳定过渡带的存在,使得测量的液面高度数值也存在不稳定现象。为此需要对不同光源照明情况进行深入研究,在这里我们用光学模拟软件Tra2cepro对荧光灯和白炽灯做狭缝光源的情况进行了软件模拟。
Tracepro能模拟所有类型的照明系统,它是基于SpatialTechnologies技术的ACIS引擎。Tracepro是完全非序列性的,光线象发光面或者网格发射体一样发射,这些发射的光线与每个面相交,可以计算每个面上的光线通量。用Tracepro模拟之前,先建所要模拟系统的几何形状及光源,然后用MonteCarlo方法进行光线追迹。光线从每个面吸收、反射和散射到观察面上。则可以通过追踪位置和方向空间上能量分布观察任何面上的输出传播。
光学模型的组成:量筒外径30mm、壁厚1mm、高度250mm、折射率取1.5;待测量液体(柴油)的折射率取1.4,光源和光屏距量筒中心线均为51mm;40W白炽灯和40W荧光灯通过尺寸为2mm×300mm的狭缝,分别构成两种狭缝光源,软件分别模拟这两种光源的光线经过量筒后在光屏上的成像。每种光源条件下,从0~250mm高度范围内,液面每上升25mm进行一次计算模拟。
模拟结果如图5、图6所示。图中横坐标为像的竖直高度,纵坐标为图像中心线上的辐通量。不同液面高度得出不同的模拟曲线。可以看出荧光灯照明效果明显优于白炽灯,其一,它能更好地使液体段和空气段对应的图像光强显著不同,而且两段图像光强分别保持均匀;其二,对应于液面的图像信号过渡带的范围更窄、更稳定,从而保证测量到的液面高度数值更稳定可靠。
4 结 论
通过以上实验分析和软件模拟分析得知,采用合适的线状光源和简单的软件滤波方法,使用200 dpi分辨率的CIS时,测量系统精度可以达到CIS的理论精度(0.125mm)。若要求测量精度更高,只需选用更高分辨率的CIS即可。目前,本测量系统已成功地应用于石油产品自动蒸馏测控系统中。
[参考文献]
[1] GB6536—86,石油产品蒸馏测定法———中华人民共和国国家标准[S].
[2] 吕锋杰,陈良才,等.基于CIS的微小流量实时测量系统研究[J].计量与测试技术, 2004, 31(12): 19220.
[3] 王庆有.图像传感器应用技术[M].北京:电子工业出版社2003.
