發(fā)明涉及一種液位跟蹤裝置，尤其涉及一種能夠精確計算液面高度的液位跟蹤裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，用于機械臂式固相萃取儀上的液位跟蹤系統(tǒng)裝置，只能跟蹤液位，不能精確計算出液面的高度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容是提供一種液位跟蹤裝置，其能夠精確積容器內(nèi)的液面。

為實現(xiàn)所述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種液位跟蹤裝置，其至少包括控制系統(tǒng)、液位傳感器和注射針，其特征在于，還包括電容極板，所述注射針上連接有第一導(dǎo)線，所述第一導(dǎo)線連接于液位傳感器的信號輸入端；所述電容極板連接于第二導(dǎo)線，所述第二導(dǎo)線連接于液位傳感器的公共端，液位傳感器用于給控制系統(tǒng)提供容器內(nèi)的液位信號。

優(yōu)選地，液位跟蹤裝置還包括三軸機械臂，所述三軸機械臂包括垂直于地而的Z臂，設(shè)置在前后方向的Y臂；設(shè)置在左右方向的X臂，Z臂上設(shè)置有絲桿，絲桿上設(shè)置有滑塊，滑塊在第一電機的驅(qū)動下在絲桿上移動。

優(yōu)選地，液位跟蹤裝置還包括第二電機，第二電機能夠驅(qū)動Z臂沿Y臂前后移動。

優(yōu)選地，液位跟蹤裝置還包括第三電機，第三電機能夠驅(qū)動Y臂沿X臂左右移動。

優(yōu)選地，液位跟蹤裝置還包括注射泵，注射泵的活塞由第四電機驅(qū)動運動。

優(yōu)選地，所述注射泵與注射針之間的定量儲液管的長度根據(jù)設(shè)計值確定。

優(yōu)選地，控制系統(tǒng)根據(jù)液位傳感器提供的容器內(nèi)的液位信息控制第一、第二、第三和第四電機的工作狀態(tài)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置能夠精確地跟蹤液面，并計算容器內(nèi)的液體體積。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置的組成示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的組成電路圖；

圖3是本發(fā)明提供的液位跟蹤原理的示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的控制過程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、 “豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“設(shè)置”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內(nèi)部的連通，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

圖1是本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置的組成示意圖，如圖1所示，本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置能夠自動跟蹤待抽取的容器內(nèi)的液面，其包括控制系統(tǒng)和三軸機械臂，所述三軸機械臂包括相互垂直的X臂（X軸）、Y臂（Y軸）、和Z臂（Z軸）（圖中未示）， Z臂為垂直于地面的臂，其在電機M3驅(qū)動下能夠沿Y臂前后移動；Y臂能夠在電機M4驅(qū)動下沿X臂左右移動。Z臂上沿垂直軸向設(shè)置有絲桿9，所述絲桿上設(shè)置有滑塊15，所述滑塊15在電機M2的驅(qū)動下沿絲桿15自欺欺人垂直上下移動。液位跟蹤裝置還包括液位傳感器12，本發(fā)明中優(yōu)選電容傳感器作為液位傳感器12，其用于測量容器內(nèi)的液體液面高度，本發(fā)明優(yōu)選容器為試管，本發(fā)明中，在支架（圖中未示）上呈矩陣狀設(shè)置N*M個試管或SPE柱，N和M均大于或者等于2，如沿X方向設(shè)置的試管16、試管17、試管18和SPE柱19，每個試管用于存貯不同的溶液。液位跟蹤裝置還包括注射針8，其用于從試管中抽取所設(shè)計量的溶液并注射到SPE柱中，如SPE柱19中。液位跟蹤裝置還包括注射泵1，所述注射泵1通過管路與注射針8相連。注射泵1包括空筒、活塞和推拉桿，空筒優(yōu)選為圓柱筒，空筒的第一端連接管路，另一端開口，活塞置于管體內(nèi)，活塞連接于推拉桿，當(dāng)推拉桿帶動活塞移動到空筒底部時，儲液管3內(nèi)的液體從注射針內(nèi)排出，當(dāng)推拉桿帶動活塞移動到空筒頂部時，注射針從試管內(nèi)抽入溶液到儲液管3內(nèi)。推拉桿的運行由電機M1驅(qū)動。

本發(fā)明中，液位傳感器12的一個信號引出線13連接于注射針8，液位傳感器12的公共端連接于電容極板14，所述電容極板14設(shè)置在試管下，如此，注射針8和電容極板14形成一個電容，當(dāng)注射針8向下移動，當(dāng)接觸到液面時，其電容值發(fā)生變化，從而能夠測量容器內(nèi)的液面高度，通常情況下，容器的直徑或者橫向截面是已知的，根據(jù)直徑或者橫向截面和液面高度可以計算出容器內(nèi)的溶液的體積，截面積與液面高度相乘就得溶液體積。

注射針和注射泵之間的定量儲液管3處設(shè)置有壓力傳感器4，其用于測量定量儲液管3內(nèi)液體的壓力并將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號而后傳送給控制系統(tǒng)。

注射針8和注射泵1之間的管路中還設(shè)置有第一電磁換向閥2、第二電磁換向閥5和第三電磁換向閥6，其中，第一電磁換向閥2的第一端口連接于注射泵，第二端口連接于水罐或者酒精罐，第三端口經(jīng)管路連接于第二電磁換向閥的第一端口。第一電磁換向閥2在控制系統(tǒng)提供的控制信號S2的作用下，可以使第一端口和第二端口連通，以從水罐或酒精罐中抽取水或酒精，當(dāng)需要對管路、注射針、換向閥進(jìn)行清洗時，注射泵1從水罐或者酒精罐抽取水或酒精。第一電磁換向閥2在控制系統(tǒng)提供的控制信號S2的作用下還可使第一端口和第三端口連通，以從容器中抽取溶液或者注放到SPE柱中。第二電磁換向閥5的第一端口經(jīng)管路連接于第一電磁換向閥2的第三端口，第二端口連接于氮氣罐，第三端口通過管路連通于第三電磁閥6的第一端口，第二電磁換向閥5在控制系統(tǒng)提供的控制信號S3的作用下，可以使第一端口和第二端口連通，以從氮氣罐中注入氮氣。第二電磁換向閥5在控制系統(tǒng)提供的控制信號S3的作用下還可使第一端口和第三端口連通，以使管路與注射針連通。第三電磁換向閥6的第二端口連接于外界，第三端口經(jīng)儲液管3連通于注射針8，第三電磁換向閥6在控制系統(tǒng)提供的控制信號S4的作用下，可以使第一端口和第二端口連通以從外界吸入空氣。第三電磁換向閥6在控制系統(tǒng)提供的控制信號S4的作用下，可以使第一端口和第三端口連通以使管路與注射針連通。

本發(fā)明中，注射針優(yōu)選依次由軸向相連接的具有第一外直徑和第一內(nèi)徑的第一鋼管81和具有第二外徑和第二內(nèi)徑的第二鋼管82，第一外徑比第二外徑大，從而在相連接處形成臺階，第二外徑略小于第一內(nèi)徑，便于將第二鋼管的第一端插入到第一鋼管的第二端，在臺階處設(shè)置有密封圈83。第一鋼管的第一端設(shè)置有第一加強套管84，第一套管84連接有連接裝置85，連接裝置85用于將注射針連接于滑塊15上。第二鋼管81的第二端形成斜面以形成針尖，便于插入到固相萃柱的密封塞的通孔中。第一鋼管82利用高強度鋼制備，第二鋼管利用高韌性白鋼制備，且使第一鋼管的外徑比第一鋼管的外徑大，如此，使注射針兼具高強度和高韌性，從而防止注射針折斷。

本發(fā)明中，固相萃取柱（SPE）19包括瓶體191和用于密封瓶體的瓶口的密封塞192，密封塞中央沿軸向設(shè)置有通孔，所述瓶體下端設(shè)置有收液口193，瓶口處設(shè)置有凸環(huán)。當(dāng)注射針扎入密封塞中的通孔時，由當(dāng)注射針的臺階抵住密封蓋，注射針上的密封圈83正好能卡在密封蓋通孔中，從而使密封圈83發(fā)生擠壓起到完全密封的作用。

圖3是本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的組成電路圖，如圖3所示，本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)包括：控制器、多路復(fù)用器28、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器29、隔離器、用于驅(qū)動第一電磁換向閥2的第一驅(qū)動器，用于驅(qū)動第驅(qū)動第二電磁換向閥5的第二驅(qū)動器和用于驅(qū)動第三電磁換向閥6的第三驅(qū)動器。

液位傳感器12用于跟蹤容器內(nèi)的液位高度信息，并將液位高度信息轉(zhuǎn)換為電信息，而后提供給多路復(fù)用器28。壓力傳感器4用于測量儲液管3內(nèi)的液體的壓力，并將液體的壓力轉(zhuǎn)換為電信息，而后提供給多路復(fù)用器28。多路復(fù)用器根據(jù)處理器提供的信號使某個傳感器與多路復(fù)用器的輸出端相連，多路復(fù)用器的輸出端連接到比例放大器，比例放大器用于對某一傳感器提供的信號進(jìn)行放大。示例性的，比例放大器包括：運算放大器OP1、電阻R5、電阻R6和電阻R4，多路復(fù)用器的輸出端經(jīng)電阻R5連接于運算放大器OP1的反相端，運算放大器OP1的輸出端經(jīng)電阻R6連接于其反相輸入端；運算放大器OP1的同相端經(jīng)電阻R4連接于地。運算放大器OP1的輸出端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器21連接于反相器OP2的輸入端，反相器OP2的輸出端連接于處理器的一個輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器用于將比例放大器提供的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，OP2用于對A/D轉(zhuǎn)換器21提供的信號進(jìn)行反相，并進(jìn)行隔離。

第一驅(qū)動器用于給電磁換向閥2提供驅(qū)動信號，示例性地，第一驅(qū)動器包括晶體管TR1、電阻R1和二級管D1，其中，晶體管TR1的基極TR1經(jīng)電阻R1連接于控制器，發(fā)射極接地，集電極接二極管D1的正極。二極管D1的負(fù)極接電源，二極管D1的兩端與繼電器J1的線包相并聯(lián)。繼電器J1的常開觸點的一端接AC220V的電源的第一端，另一端接電磁換向閥2的一個端子，電磁換向閥2的另一個端子接AC220V的電源的第二端。當(dāng)需要電磁換向閥2換向時，處理器給晶體管TR1的基極提供一個高電位信號，晶體管導(dǎo)通，與其集電極相連的繼電器J1的線包有電流通過，其常開觸點閉合，電磁換向閥2接通AC220V電源而換向；當(dāng)不需要電磁換向閥2換向時，處理器給晶體管TR1的基極提供一低電位信號，晶體管截止，與其集電極相連的繼電器J1的線包沒有電流通過，其常開觸點斷開，電磁換向閥2與AC220V電源斷開。

第二驅(qū)動器用于給電磁換向閥5提供驅(qū)動信號，示例性地，第二驅(qū)動器包括晶體管TR2、電阻R2和二級管D2，其中晶體管的基極TR2經(jīng)電阻R2連接于控制器，發(fā)射極接地，集電極接二極管D2的正極。二極管D2的負(fù)極接電源，二極管D2的兩端與繼電器J2的線包相并聯(lián)。繼電器J2的常開觸點的一端接AC220V的電源的第一端，另一端接電磁換向閥5的一個端子，電磁換向閥5的另一個端子連接AC220V的電源的第二端。當(dāng)需要電磁換向閥5換向時，處理器給晶體管TR2的基極提供一個高電位信號，晶體管TR2與其集電極相連的繼電器J2的線包有電流通過，其常開觸點閉合，電磁換向閥5接通AC220V電源而換向；當(dāng)不需要電磁換向閥5換向時，處理器給晶體管TR2的基極提供一低電位信號，晶體管TR2截止，與其集電極相連的繼電器J2的線包沒有電流通過，其常開觸點斷開，電磁換向閥5與AC220V電源斷開。

第三驅(qū)動器用于給電磁換向閥6提供驅(qū)動信號，示例性地，第三驅(qū)動器包括晶體管TR3、電阻R3和二級管D3，其中晶體管的基極TR3經(jīng)電阻R3連接于控制器，發(fā)射極接地，集電極接二極管D3的正極。二極管D3的負(fù)極接電源，二極管D3的兩端與繼電器J3的線包相并聯(lián)。繼電器J3的常開觸點的一端接AC220V的電源的第一端，另一端接電磁換向閥6的一個端子，電磁換向閥6的另一個端子連接AC220V的電源的第二端。當(dāng)需要電磁換向閥6換向時，處理器給晶體管TR3的基極提供一個高電位信號，晶體管TR3導(dǎo)通，與其集電極相連的繼電器J3的線包有電流通過，其常開觸點閉合，電磁換向閥6接通AC220V電源而換向；當(dāng)不需要電磁換向閥6換向時，處理器給晶體管TR3的基極提供一低電位信號，晶體管TR3截止，與其集電極相連的繼電器J3的線包沒有電流通過，其常開觸點斷開，電磁換向閥6與AC220V電源斷開。

本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)還包括用于驅(qū)動步進(jìn)電機M1的步進(jìn)電機驅(qū)動器21，其通過光電隔離器20與控制器相連?？刂破鹘?jīng)隔離器22給步進(jìn)電機驅(qū)動器21提供控制信號，步進(jìn)電機驅(qū)動器21驅(qū)動電機M1正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，以使注射泵工作。更具體地說，電機M1帶動注射泵的推垃植以進(jìn)一步帶動活塞在其空筒內(nèi)上下移動，向下移動時抽入介質(zhì)，向上移動時排出介質(zhì)，所述介質(zhì)為水、酒精、氮氣或空氣。

控制系統(tǒng)還包括用于驅(qū)動步進(jìn)電機M2的步進(jìn)電機驅(qū)動器23，其通過光電隔離器22與控制器相連?？刂破鹘?jīng)隔離器22給步進(jìn)電機驅(qū)動器23提供控制信號，步進(jìn)電機驅(qū)動器23驅(qū)動電機M2正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而使滑塊15在電機M2的驅(qū)動下沿絲桿上下移動?；瑝K15帶動注射針8上下移動。如圖4所示，本發(fā)明中，絲桿的長度為固定值，將容器呈矩陣中設(shè)置在支架（圖中未示）中，絲桿與支架的位置固定，換句話說，沿高度方向，滑塊15的起始位置A與容器的底部C的位置固定，滑塊15帶動注射針8沿絲桿向下移動時，驅(qū)動電機的脈沖數(shù)也在隨著下移的距離增加而呈線性增加，而一個脈沖驅(qū)動電機以帶動滑塊15向下移動的步長為已知，當(dāng)注射針8接觸到液面時，即注射針由B移動動B`時，由注射針、電容極板和其間的介質(zhì)形成的電容的值發(fā)生變化，電容傳感器探測到該變化并將這種電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號而后提供給多路復(fù)用器28，多路復(fù)用器28將該電壓信號提供給放大器，放大器將放大后的信號提供給A/D轉(zhuǎn)換器29，A/D轉(zhuǎn)換器29將所接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)隔離器提供給控制器，控制器檢測到該信號后，調(diào)用存儲器內(nèi)應(yīng)用程序，根據(jù)脈沖數(shù)和步長可計算出注射針下移的距離，滑塊起始位置減去下移距離就得到，容器內(nèi)液面高度，容器內(nèi)的液面高度與容器的橫截面之積計算得到容器內(nèi)的溶液的體積，由此可見，本發(fā)明提供的液面跟蹤裝置能夠跟蹤容器內(nèi)的液體的液面。

控制系統(tǒng)還包括用于驅(qū)動步進(jìn)電機M3的步進(jìn)電機驅(qū)動器25，其通過光電隔離器24與控制器相連?？刂破鹘?jīng)隔離器24給步進(jìn)電機驅(qū)動器25提供控制信號，步進(jìn)電機驅(qū)動器25驅(qū)動電機M3正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，以使Z臂沿Y臂前后移動，更進(jìn)一步地，使Z臂攜帶注射針前后移動到相應(yīng)列的容器上方。

控制系統(tǒng)還包括用于驅(qū)動步進(jìn)電機M4的步進(jìn)電機驅(qū)動器27，其通過光電隔離器26與控制器相連。控制器經(jīng)隔離器26給步進(jìn)電機驅(qū)動器27提供控制信號，步進(jìn)電機驅(qū)動器27驅(qū)動電機M4正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，以使Y臂能夠在電機M4驅(qū)動下沿X左右移動，更進(jìn)一步地，使Y臂攜帶Z臂，Z臂攜帶注射針8左移移動到所相應(yīng)行的容器上方。

本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置還包括在穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電源用于給各部件提供電能，穩(wěn)壓電源與AC220V電源間設(shè)置開關(guān)KH2和KL2，是為了當(dāng)控制信號不起作用時，強制關(guān)閉電源。

本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置還包括存儲器11，其至少包括ROM和RAM，ROM用于存儲應(yīng)該程序和數(shù)據(jù)，RAM用于存儲臨時值。本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置還包括第一通信模塊10，其為無線通信模塊，如WIFI模塊、藍(lán)牙模塊等，其用于控制器與上位機進(jìn)行無線鏈路。本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置還包括第二通信模塊32，其優(yōu)選為網(wǎng)卡，用于與上位機進(jìn)行有線鏈路，如此上位機可能夠通過第一和第二通信模塊給控制器發(fā)送指令，并從控制器中接數(shù)據(jù)。控制器將液位傳咸器12和壓力傳感器所傳送的數(shù)據(jù)打包成幀并通過通信模塊發(fā)送到上位機，上位機根據(jù)這些數(shù)據(jù)也進(jìn)行相行的計算。

本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置還包括聲光報警電路，其包括晶體管TR4、電阻R7、電阻R8、揚聲器30和燈LED，其中，晶體管TR4的基極TR1經(jīng)電阻R7連接于控制器，發(fā)射極接地，集電極接燈LED的負(fù)極。燈LED的正極經(jīng)電阻R8接電源。當(dāng)管路內(nèi)的壓力超過設(shè)定值時，處理器給晶體管TR4的基極提供一個高電位信號，晶體管TR4導(dǎo)通，LED發(fā)光，揚聲器30發(fā)聲。

圖4是本發(fā)明提供的液位跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的控制過程示意圖，如圖4所示，液位跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的控制過程包括：

使液位跟蹤裝置的控制系統(tǒng)初始化，并通過通信模塊接收上位機的數(shù)據(jù)，給電機M2、電機M3、電機M4提供驅(qū)動信號，使三軸機械臂運行到指定的試管位置，控制系統(tǒng)使Z臂上滑塊15下降，在運行當(dāng)中滑塊攜帶的注射針8碰到液面時，液位傳感器發(fā)出一個電平信號給控制器。

控制器接收到這個信號，控制注射泵1抽取液體，并且調(diào)整Z軸上注射針下降的速度，使之與液面下降速度保持一致，實現(xiàn)液面跟隨。

注射泵抽取到實驗的設(shè)定量時，會給控制器一個完成信號，于是控制滑塊上移，滑塊帶動注射針上拉并控制機械臂運行到指定SPE柱位置，再控制Z臂上滑塊下移，以使注射針下降插入SPE柱柱蓋中心的小孔，當(dāng)注射針臺階處的密封圈頂住蓋子上的小孔時，注射泵注入剛從試管中吸取的液體。

由于管路中可能有液體殘留，所以在管路連接中安裝了第二和第三電磁換向閥5和6，實現(xiàn)了氮氣或空氣的進(jìn)入（兩者任選其一）。當(dāng)實驗室里沒有氮氣時，可以由注射泵代替動力源對空氣進(jìn)行抽取然后助推，如若實驗室有氮氣，只要把氮氣接入即可（氮氣本身有壓力，無需通過注射泵抽吸）。

注射泵還通過第一電磁換向閥2接純凈水或酒精，因為吸入的液體不進(jìn)入注射泵（倘若進(jìn)入會導(dǎo)致交叉污染），液體只會到達(dá)第三電磁換向閥之前儲液管3中（注射泵一次吸入量為10ML，在注射針與三路切換閥之間會有>10ml的儲液管來存放吸入的液體），倘若吸入的液體不進(jìn)入注射泵，那么注射泵在抽吸時管殼中會因沒有介質(zhì)的往復(fù)運動而縮短注射泵的壽命，因此注射泵會通過第一電磁換向閥2接入純凈水或酒精，幫助抽吸，起到潤滑的作用。

由于一些實驗的液體中存在大顆粒物質(zhì)，向SPE柱注入液體流速過快可能導(dǎo)致SPE柱堵塞，所以在管道中加入壓力傳感器4，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時，儀器通過壓力傳感器4返回信號進(jìn)行報警，達(dá)到安全使用裝置（或者儀器）的目的。

本發(fā)明中，由于通過使注射泵和注射針之間的儲液管中依次注入液體、氣體和溶液，利用氣體將液體和溶液隔開，使溶液不進(jìn)入注射泵而僅暫時存儲于儲液管中，而儲液管便于利用液體或氣體進(jìn)行清洗，因此避免了交叉感染。

以上結(jié)合附圖，詳細(xì)說明了本發(fā)明的工作原理。但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，說明書僅是用于解釋權(quán)利要求書。但本發(fā)明的保護范圍并不局限于說明書。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明批露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或者替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。