使用CCD的实时液位测量系统研究

　　一、引　　言

　　液位是工业过程中最重要的测量参数之一。液位测量是指测量汽-液、液-液、液-固分界面位置的测量技术,其广泛应用于化工、石油及锅炉等液体存储设备中。在石油勘测中,需对勘测点的油岩样品进行测定和分析,以确定其石油含量,为油田的开采提供依据。实验室中测定含油量的方法是:将一定量的油岩样品浸入水中加压,使水渗入油岩而将其中所含油份浸压出来,挤压出的油水混合物进入玻璃管中自动分离,通过测定油、水分界面的位置,即可确定油层的含油量。目前,这一工作主要是通过人眼直接观测完成,测量精度低且不能实现实时和多路监测,不符合自动化生产的要求。为此,我们使用线阵CCD,采用光电非接触方法对密闭玻管中油、水分界面进行实时自动监测。并用微机完成测量数据的自动采集、存储和后续数据处理。形成智能化自动液位测量系统。

　　二、系统的组成及工作原理

　　该测量系统由随动测量头视频信号处理电路、数据采集及接口电路、微机系统组成,如图1所示。

　　1·随动测量头的工作原理

　　测量头由光源、CCD及其驱动电路、传动装置构成。光源与CCD分别固定在U型支架的两侧。采用平行光成象法〔2〕。液体注入直径Φ=15mm 的玻璃管中,构成柱形透镜,由于油、水的折射率不同,从而界面上下两部分的聚光能力不同,将CCD传感器置于水层(或油层)柱形透镜的焦线上时,则CCD 象面上对应界面处产生较大的光强差别CCD输出信号与光强成正比,从而Vccd反应出两液体界面位置。

　　本系统选用日本东芝TCD142D型线阵CCD传感器,有效光敏元个数为2048,光敏元间距T=14μm,为高灵敏、蓝光响应增强型。由于测量范围较大,而CCD光敏面长只有28mm,故采用由软件控制的步进电机及传动系统调节测量头的准跟踪测量方式。即测量头随界面上下移动,实行分段定位, 每隔25mm设置定位开关,作为测量头位于该段的判定标志,各定位点高精度标定,段内使用CCD精确判读,以保证测量值的高精度。这样既避免了使用复杂的光学系统,又实现了大范围的高精度测量。定位过程是闭环控制,大大减小了对传动系统的精度要求。测量原理如图2所示,油、水界面位置为:

式中hi———CCD所在定位点的定位值

　　n———水层对应的CCD中光敏元的个数(即计数值)

　　2.硬件电路设计

　　CCD输出信号中包含有周期性的串扰脉冲,且有效信号的值较小。为了提高测量系统的稳定性和抗干扰能力,必须对CCD输出信号进行滤波和放大处理。然后,将信号送入比较器,以获得二值化信号。使用可编程定时/计数器8253计下脉冲个数,即对应光敏元的个数n。选8253的工作方式为0,利用 CCD复位信号前沿控制计数器。采用计算机软件中断查询方式,通过判断计数结果,控制测量头的传动系统,来实现自动跟踪测量。最后用C语言程序对计数结果定位值进行运算处理并显示测量值h。