专利名称：自补偿的电容液位检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液位检测方法和一种多通道式液位检测方法。本发明还涉及一种相应的液位检测装置和一种包括多个液位检测装置的多通道 式液位检测系统。
背景技术：
液位探测器可用于各种各样具有不同目的和不同操作方式的领域。液位探测器尤 其适用于实验室液体处理设备所用的所谓移液通道，其中即使非常小量的液体也必须被精 确地检测/测量。一种特定型式的液位检测称为电容液位检测，其中通过监测在触点和接地工作面 之间可见电容的突然变化来探测液体的存在或液位，所述电容的突然变化的发生归因于触 点和液体之间的物理接触的建立或中断。已经开发了各种电路，以便能基于输入电容的这种变化来提供一输出信号，表示 液体是否存在或其液位。一种在本领域沿用已久的具体电路是通过向电容器充电以及随后 放电的原理来工作，电容器包括有用的液体电容以及无用的电缆和滤波电路电容。对输入 端的总电容充电所需的时间可转换成与输入电容成比例的脉宽调制占空比。之后的带通滤 波器和放大器消除了直流分量和只放大电压变化，其中该电压变化产生与传感器输入处的 电容变化成比例的电压脉冲。如果所述电压脉冲超过预定电压-阈值，就会产生输出信号。 时钟信号可用于控制充电/放电循环。所述时钟信号的频率与液位检测的灵敏度成正比。 所以改变频率要以改变阈值或以改变信号放大器的放大增益来补偿，以便抵消液体检测输 入信号的振幅变化。在典型的应用中，时钟频率在这些电路的生产阶段中被预定和固定，而且计算和 固定相应的参考电压和/或放大增益，以便确保所需的灵敏度。但是，某些应用会要求改变 时钟频率。因此，参考电压和/或放大增益也必须相应地改变，否则会影响灵敏度以及将会 产生错误输出。要求改变时钟频率的原因之一在于这些电容液位检测器及其控制电路对干扰非 常敏感。所述干扰可能由其它在附近的以与时钟信号相似或相同的频率工作的电子设备造 成。如同所有的干扰，当两个以接近频率操作的装置彼此之间的距离变得越短时，该问题就 越恶化。在实验室设备的所谓多轴或多通道式结构中尤其如是，其中多个液位探测器安装 在所述多个轴上。在现有的电容液位检测设计中，多个电容液位探测器紧密相邻地设置，这相应地 会要求使系统内的所有电容液位探测器同步或将时钟频率设置成彼此相隔开，以便防止可 导致错误检测的干扰。如果所有的轴彼此相互固定地定位，使所有电容液位探测器同步只是一种可以接 受的解决方案。在这些轴被独立地定位的所有其它情况下会产生难题，因为布线的限制和 可能的电磁干扰问题。为了同步所有电容液位探测器，它们之间将需要额外的交叉连接，或者需要在互连板等等上面实现中央时钟脉冲发生器。防止干扰的第二种做法，S卩，将频率设置成彼此相隔开，会导致灵敏度相应地改 变。这可使用数字信号处理器来补偿，或者在电平比较器的情况下通过调节参考电压和/ 或放大增益来补偿。通过某些开关或配线设置或通过可编程的参考电压，可对每一频率设 定用不同的组件来实现参考电压和/或放大增益的调节。但是，调节放大增益所具有的缺 点是，在所有放大领域中高度依赖放大器的精度和线性度。所有这些解决方案会增加成本， 和/或增加因错误的敏感度设定而没有误差可见度地导致潜在的误导性结果的风险
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种液位检测方法，其可提供可靠的输出信号来表 示液体的存在，所述方法对时钟频率的变化不敏感，所述方法不用考虑每一频率变化而要 求额外的数字信号处理，也不需要个别地设定参考电压和/或放大增益，但同时容许与频 率无关的灵敏度调节。本发明的另一目的为提供一种多通道式液体检测方法，其中防止了所述多通道之 间的干扰，所述方法不用考虑每一频率变化而要求额外的数字信号处理或个别的参考电压 和/或放大增益设定。本发明的进一步目的为提供一种用于电容液位检测的液位检测装置，其可提供可 靠的输出信号来表示液体的存在，而且其对时钟频率的变化不敏感，并在同时可保持预定 的灵敏度，无需考虑每一频率变化而要求额外的数字信号处理或个别的参考电压和/或放 大增益设定。本发明的再一目的为提供一种多通道式液位检测系统，其中防止了在多个液位检 测装置之间的干扰以及其中每一通道的灵敏度可以独立地设定，所述灵敏度不受频率变化 的影响。本发明的上述目的可通过一种使用液位检测装置的液位检测方法来达成，所述液 位检测装置具有电容液位检测器，其具有输入电容，如果至少部分的电容液位检测器与液 体接触，所述输入电容会改变，所述方法包括以下的步骤-产生具有预定接通时间(on-time)的时钟信号，所述预定接通时间相应于电容 液位检测器的预定灵敏度；-将所述时钟信号供给基准信号发生器和所述电容液位检测器的电容液位检测器 输入端；-所述基准信号发生器产生源自所述时钟信号的开/关比的控制值，并将所述控 制值馈入一比较器的控制输入端；-响应于所述输入电容的改变，将所述电容液位检测器的液体检测输入信号馈入 所述比较器的信号输入端；-所述控制值确定所述比较器的控制参数；-在所述电容液位检测器的所述液体检测输入信号响应于所述电容液位检测器的 输入电容的改变而超过一阈值时，所述比较器在输出端触发输出信号。本发明另外的目的通过上述的方法达成，所述方法的特征在于多个液位检测装 置相对邻近地安装，其中为防止在液位检测装置之间的干扰，每一液位检测装置被馈入不同频率的不同时钟信号，每一时钟信号具有与各个电容液位检测器的预定灵敏度相应的预 定接通时间；以及其中每一液位检测装置的电容液位检测器的因时钟信号频率差异造成的 灵敏度偏差可通过向每一液位检测装置的每一比较器馈送不同的控制值来进行自补偿，所 述控制值由每一液位检测装置的基准信号发生器基于所述不同的时钟信号来产生本发明的上述目的进一步通过一种用于电容液位检测的液位检测装置来达成，所 述液位检测装置包括电容液位检测器，其具有输入电容以及电容液位检测器输入，所述电 容液位检测器输入被馈入具有预定接通时间的时钟信号，所述预定接通时间相应于电容液 位检测器的预定灵敏度，如果至少部分的电容液位检测器与液体接触，所述输入电容会改 变；另外包括被馈入所述时钟信号的基准信号发生器，所述基准信号发生器产生源自所述 时钟信号的开/关比的控制值；以及比较器，其具有被馈入所述控制值的控制输入端以及 一信号输入端，所述控制值确定所述比较器的控制参数，信号输入端被馈入响应于所述输 入电容的改变的所述电容液位检测器的液体检测输入信号；在所述电容液位检测器的所述 液体检测输入信号响应于所述电容液位检测器的输入电容的改变而超过所述阈值时，所述 比较器在一输出端发出输出信号。本发明另外的目的通过一种包括多个液位检测装置的多通道式液位检测系统来 实现，其特征在于所述多个液位检测装置相对接近地安装，其中为防止液位检测装置之间 的干扰，每一液位检测装置被馈入不同频率的时钟信号，每一时钟信号具有与各个电容液 位检测器的预定灵敏度相应的预定接通时间；以及其中每一液位检测装置的电容液位检测 器的因时钟信号差异造成的灵敏度偏差可通过向每一液位检测装置的每一比较器馈送不 同的控制值来进行自补偿，所述控制值由每一液位检测装置的基准信号发生器基于所述不 同的时钟信号来产生。总之，本发明的本质在于，基准信号/阈值和/或放大增益直接由时钟频率确定， 其与所述时钟信号的开/关比成正比，且其中所有时钟信号的接通时间根据要求的灵敏度 而确定，所以空闲时间与频率变化成比例地变化，导致所述时钟信号的开/关比相应地变 化，从而导致阈值和/或放大增益与频率变化成比例地变化。本发明的最主要的优点在于，其以简便的方式解决了现有技术的问题，即不需要 同步，也不需要用于灵敏度补偿的额外步骤。通过设定时钟频率，灵敏度固有地自我调节， 以补偿频率变化。这同时可降低成本、布线要求和减少潜在的错误结果。因此，所述方法和 装置，可与环境无关地使用，而无需预定及预设基准信号/阈值和/或放大增益来使用额外 的数字信号处理等等。本发明的另一优点在于，通过改变时钟信号的接通时间，可与频率无 关地单独地调节灵敏度，从而允许在需要不同灵敏度的不同环境中使用和在因干扰问题而 要求不同频率的各种结构中使用。因此，两个参数，即频率和灵敏度可以仅仅一个信号，也 就是时钟信号来处理；而且由于本发明为自补偿的，在使用多于一个频率的情况下，无需调 节灵敏度来将其保持在同一水平。
本发明的进一步特征和优点在下文中将通过说明和参照附图来作详述。所述附图 所示为图IA所示为在同一时间线上的时钟信号、放电函数以及脉宽调制信号的信号图IB所示为示出时钟信号的开/关比和基准电压之间的关系的信号图，所述时钟
信号具有第一频率 图IC所示为示出时钟信号的开/关比和基准电压之间的关系的信号图，所述时钟 信号具有较低的第二频率；图ID所示为示出通过改变时钟信号的开/关比和基准电压来调节灵敏度的信号 图，所述时钟信号具有相同的较低的第二频率但具有不同的开关比；图2A所示为示出液体检测输入信号在输入电容改变后的信号图；图2B所示为示出另一在不同时钟信号频率而导致不同阈值的液体检测输入信号 在所述的输入电容的相同改变后的信号图；图2C所示为示出另一在不同时钟信号频率而导致不同放大增益的液体检测输入 信号在所述的输入电容的相同改变后的信号图；图3所示为根据本发明的液位检测装置的第一实施例的结构框图；图4A所示为根据本发明的具有浸入(dip-in)输出和抽出(dip-out)输出的液位 检测装置的优选实施例的结构框图；图4B所示为示出在不同输入电容的放电函数和相应的脉宽调制信号之间的关系 的信号图；图5A所示为液位检测装置的结构图，其中并排的信号图示出在液位检测装置与 液体接触之前的液体检测输入信号以及浸入输出和抽出输出；图5B所示为液位检测装置的结构图，其中并排的信号图示出在液位检测装置与 液体接触时_即在浸入阶段的液体检测输入信号以及浸入输出和抽出输出；图5C所示为液位检测装置的结构图，其中并排的信号图示出在液位检测装置与 液体停止接触时_即在抽出阶段的液体检测输入信号以及浸入输出和抽出输出；图6A所示为包括多个安装在单一臂件上的液位检测装置的多通道式液位检测系 统在浸入阶段的结构侧视图；图6B所示为包括多个安装在单一臂件上的液位检测装置的多通道式液位检测系 统的结构透视图，示出所述系统的多个轴和样品板；图7所示为包括多个安装在系统的多个轴的不同臂件上的液位检测装置的多通 道式液位检测系统的结构透视图。
具体实施例方式本专利申请中会使用某些术语，其表述不应被理解为要受限于所选用的具体术 语，而是要包含所述具体术语背后的全面的概念。术语“浸入阶段”在本申请的上下文中用于描述从当电容液位检测器正要与液体 接触之前开始到所述电容液位检测器到达与液体接触的位置时结束之间的时期。术语“抽出阶段”在本申请的上下文中用于描述从当电容液位检测器在与液体接 触的位置开始到所述电容液位检测器刚刚不再与液体接触时结束之间的时期。在本申请的上下文中，液体是指任何要用电容式液位检测器来检测其存在和/或 液位的液体。各种泡沫包含在这一类中。应该指出，根据本发明的电容液位检测只适用于 导电液体。这包括即使具有非常低的导电率的液体。
在本申请的上下文中，时钟信号为一种具有大体矩形形状的信号，其高和低值分 别对应于在给定频率以规则的序列交替的“接通时间”和“空闲时间”。根据本发明，所有时 钟信号的接通时间是预定的，其中空闲时间与频率变化-从而与信号的开关比的变化成比 例地改变。时钟信号CLK的接通时间根据要求的灵敏度而预定，所以接通时间可个别地设 定。根据若干应用的用途，灵敏度需要相应地调节以确保得到可靠的检测。对液位检测装 置观测的电容变化的液位有影响的典型参数为待检测液体的电导率、液体的量和样品板的 形状和/或材质。脉宽调制信号是指一种具有大体矩形形状的信号，其交替的高和低值分别对应于 “接通时间”和“空闲时间”，其中接通时间和空闲时间的比携带所述信号数据。液体检测输入信号是指在电容液位检测器14的电容改变后的信号。 图IA所示的信号图示出了在同一时间线上的时钟信号、电容液位检测器14的输 入电容C的变化和脉宽调制信号PWM-S。在上面示出的时钟CLK具有矩形形状，其高和低 值对应于在给定频率以规则的序列交替的“接通时间” tl和“空闲时间” t2，tl及t2的和 等于该信号的周期Τ。在中间示出的为放电函数I，它在其空闲时间期间上升，而在其接通 时间期间则下降到约为0。该放电函数I的接通时间和空闲时间不同于时钟信号CLK的接 通时间和空闲时间，但在时钟信号CLK的上升沿与时钟信号CLK同步。以连续线示出的变 化1对应于较低的输入电容C，其中以虚线示出的变化2对应于较高的输入电容C。对应于 较高输入电容C的变化2较不急剧地上升，因为较大电容的充电较慢。根据本发明，只有时 钟CLK的上升沿被用于同步，即输入电容C在时钟CLK上升沿放电。在放电函数I的接通 时间，电容液位探测器14的电容器放电，而且由于放电函数I的接通时间是固定的，输入电 容C的放电时间也是固定的。在放电脉冲完成后，电容液位探测器14的电容器放完电，并 且开始新的充电循环。只有正过渡会用于触发固定时间的放电脉冲，因此，时钟信号CLK的 接通时间对放电函数没有任何影响。在下面示出的为脉宽调制比较器32的占空比，其直接 地取决于输入电容C的变化，其中较长的占空比对应于较大的输入电容变化。图IB所示为时钟CLK的信号图，该时钟CLK具有第一频率以及所述时钟CLK具有 大约为1的开关比，其确定控制值CV，所述控制值继而确定比较器18的某个控制参数，在所 示的实施例中，该控制参数是示于旁边的图上的阈值TV。图IC所示为时钟CLK的信号图，该时钟CLK具有第二频率以及所述时钟CLK具有 不同的确定不同控制值CV的开关比，所述不同控制值继而确定于旁边的图上以实线示出 的不同阈值TV，其不同于以虚线示出的图IB中的阈值TV。因此，根据本发明，较低的时钟 CLK频率导致较低的阈值TV，而较高的时钟CLK频率导致较高的阈值TV。这将确保该电容 液位探测器14可相应于时钟CLK频率变化进行灵敏度变化自补偿。图ID所示为时钟CLK的信号图，该时钟CLK具有与图IC的相同的第二频率，但所 述时钟CLK具有不同的开关比，其确定了于旁边的图上以实线示出的不同阈值TV，该阈值 不同于以虚线示出的图IC中的阈值TV。因此，根据本发明，较高的时钟信号CLK开关比导 致较高的阈值TV。这称为灵敏度调节，其中时钟信号CLK的期望接通时间可根据要求的灵 敏度来预定。应该注意，频率变化不会影响灵敏度，因为接通时间可被与频率变化无关地保 持为与预定的接通时间相同。图IB至ID示出可基于控制值CV来确定的控制参数的具体实施例，即比较器18的阈值TV。根据本发明，同样的原理也适用于另外的控制参数，诸如比较器18的信号输入 20的放大增益，其决定了施加于所述信号输入20上所接收信号的放大级别。因此，如果灵 敏度因时钟CLK频率的变化而改变，放大增益就会自补偿。因此，通过比较图IB及1C，因频率变化而导致的所谓“不理想的”灵敏度变化很明 显，所述的“不理想的”灵敏度变化可通过本发明的发明电路来补偿。另一方面，通过比较 图IC和1D，可以注意到所谓的“理想的”灵敏度变化，其中在相同频率下的时钟信号CLK的 接通时间可以改变，以达到特定的理想的灵敏度变化。 图2A及2B示出电容液位探测器14的相应于两不同频率的液体探测响应信号RS。 所示的液体探测响应信号RS中的脉冲幅度与输入电容C的变化成正比，但也与时钟CLK频 率成正比。所以，当液位探测器14具有相同的输入电容C变化，液体探测响应信号RS的幅 度会与频率变化成比例地改变。这被称为“不理想的灵敏度变化”，即较高的频率将导致较 大的液体探测响应信号RS幅度，而较低的频率会导致较小的幅度(对相同的输入电容C变 化而言)ο图2A所示的信号图示出了在电容增大后的液体探测响应信号RS以及与时钟CLK 的所述第一频率相应的正阈值TV+和负阈值TV_。如参照图IB所述，该时钟CLK具有第一 频率，其相应于确定第一阈值TV的第一控制值CV。在该图上，示出了正阈值TV+和负阈值 TV_。图2B所示的信号图示出了在如图2A中所述的输入电容C的相同增大后的液体探 测响应信号RS，但其具有第二时钟CLK频率。正如参照图IC所述，具有第二频率的时钟CLK 相应于第二控制值CV，其确定第二阈值TV。在该图上，示出了正阈值TV+和负阈值TV_。为 了作出比较，相应于第一时钟CLK频率的第一正阈值TV+和第一负阈值TV_用虚线示出。在 该图上，可以看到电容液位检测器14的灵敏度变化，其导致按比例的较小幅度的液体探测 响应信号RS。根据本发明，如果不是因为本发明的构思，其中阈值TV是由时钟CLK频率决 定，则液体探测响应信号RS幅度不会超过用虚线示出的第一阈值TV，从而使整个液位检测 装置10不可靠。根据该图，电容液位探测器14因时钟CLK频率变化而进行的灵敏度变化的自补偿 很明显，其中自补偿阈值TV被按比例地调节较低幅度的液体检测响应信号RS，其分别超过 /低于正阈值TV+和负阈值TV_，因此液位检测装置10可提供正确的检测输出。图2C所示的信号图示出了在如图2Α中所述的输入电容C的相同增大后的液体探 测响应信号RS，但其具有第二时钟CLK频率。该图示出了另一控制参数的自补偿效果，该 控制参数即比较器18的信号输入20的放大增益。假设该具有图2Α上的第一频率的时钟 CLK确定了第一放大增益，该具有相应于第二控制值CV的第二频率的时钟CLK确定了图2C 上的第二放大增益，其导致液体探测响应信号RS的不同放大倍数。为了比较，相应于第一 时钟CLK频率的具有第一放大增益的液体探测响应信号RS用虚线示出。在该图上，可以看 到电容液位检测器14的灵敏度变化，其导致按比例的较小幅度的(未放大的)液体探测响 应信号RS。如果不是因为本发明的构思，其中放大增益是由时钟CLK频率决定，则液体探测 响应信号RS幅度不会超过第一阈值TV，从而使整个液位检测装置10不可靠。根据图2C，电容液位探测器14的由于时钟CLK频率变化而进行的灵敏度变化的自 补偿很明显，其中自补偿放大增益按比例地调节较低幅度的液体检测响应信号RS，在施加适当的放大增益时，该液体检测响应信号RS会分别超过/低于正阈值TV+和负阈值TV_，因 此液位检测装置10可提供正确的检测输出。图3所示为根据本发明的液位检测装置10的第一实施例的结构框图，其实现本发 明的自补偿灵敏度的构思。用于电容液位检测的液位检测装置10首先包括电容液位探测器14，其特征在于 在电容液位探测器14与液体L接触时，在电容液位探测器14和最好是接地的工作面400 之间测量输入电容C，其中液体L延伸电极的表面，从而导致输入电容C的突变。电容液位 探测器14可配备移液触点14. 2，以便只有该移液触点14. 2与液体L接触。在该情况下，在 该移液触点14. 2和接地工作面400之间的电容为输入电容C。电容液位探测器14被馈入 时钟CLK。在本发明的较佳实施例中，该移液触点14. 2为一种实验室液体处理仪器的移液 设备的一部分。
液位检测装置10进一步包括被馈入同一时钟CLK的基准信号发生器12，该基准信 号发生器12产生控制值CV，如先前段落所述，该控制值得自时钟CLK的开关比。该控制值CV被馈入比较器18的控制输入端19，所述比较器也具有信号输入端 20，该处被馈入液体检测响应信号RS。该比较器18比较在电容液位探测器14的输入电容 C被放电后该液体检测响应信号RS的幅度与由基准信号发生器12产生的控制值CV，并且 在液体检测响应信号RS响应于电容液位探测器14的输入电容C的足够大的变化而超出阈 值TV时，比较器18在其输出端21触发相应的信号。正如先前段落所述，所述控制值确定 比较器18的控制参数，诸如所述阈值TV，或在比较器18的信号输入端20的放大增益。图4A所示为根据本发明的液位检测装置10的特别优选的实施例的结构框图，其 具有浸入输出21. 1和抽出输出21. 2。该实施例的基准信号发生器12产生的控制值CV确 定了两个阈值TV，即正阈值TV+和负阈值TV_。正阈值TV+用于浸入检测，即当电容液位检 测器14的移液触点14. 2与液体L接触时，而该负阈值TV用于抽出检测，即当电容液位检 测器14的移液触点14. 2与液体L停止接触时。该两个不同的阈值TV，即正阈值TV+和负 阈值TV_分别被馈入浸入比较器18. 1和抽出比较器18. 2的正阈值输入19. 1和负阈值输 入 19. 2。浸入比较器18. 1和抽出比较器18.2为具有相似结构的比较器，它们的差别在于 该抽出比较器18. 2被设计成检测降低到负阈值TV_之下的液体检测响应信号RS的负脉冲， 而浸入比较器18. 1则设计成检测超过正阈值TV+之上的液体检测响应信号RS的正脉冲。 为此，浸入比较器18. 1和抽出比较器18. 2分别包括信号输入20. 1和信号输入20. 2，两者 皆被馈入同一液体检测响应信号RS。该浸入比较器18. 1比较在电容液位探测器14的输入电容C增大后该液体检测响 应信号RS的幅度与由基准信号发生器12产生且在其信号输入20. 1上接收的正阈值TV+， 并且在当所述移液触点14. 2与液体L接触时，所述液体检测响应信号RS响应于电容液位 探测器14的输入电容C的足够大的增大而超出所述正阈值TV+时，该浸入比较器18. 1在 其浸入输出21. 1触发相应的信号。该抽出比较器18. 2比较在电容液位探测器14的输入电容C下降后该液体检测响 应信号RS的幅度与由基准信号发生器12产生且在其信号输入20. 2上接收的负阈值TV_， 并且在当所述移液触点14. 2与液体L停止接触时，所述液体检测响应信号RS响应于电容液位探测器14的输入电容C的足够大的下降而低于所述负阈值TV_时，该抽出比较器18. 2 在其抽出输出21. 2触发相应的信号。
在图4A上示出的本发明的较佳实施例中，时钟CLK通过放电器30而馈入液位探 测器14，该放电器具有非活动状态和活动状态，其中在所述非活动状态时，该输入电容C被 不断地充电，而在所述活动状态时，输入电容C被放电。这导致了图IA上所示的放电函数I 的充电/放电周期。该活动状态具有预定的长度，并由时钟信号CLK的上升沿触发。本说 明书的图IA和2A以及相应的段落对之作出更详细的叙述。放电函数I的接通时间和空闲 时间不同于时钟信号CLK的接通时间和空闲时间，但在时钟信号CLK的上升沿与时钟信号 CLK同步。由连续线示出的变化1对应于较低的输入电容C，其中由虚线示出的变化2则对 应于较高的输入电容C。对应于较高输入电容C的变化2上升得较不急剧，因为较大电容 的充电比较慢。根据本发明，只用时钟CLK的上升沿进行同步，即输入电容C是在时钟CLK 的上升沿放电。在接通时间期间，该电容液位探测器14的输入电容C放电，而且由于接通 时间是固定的，所以输入电容C的放电时间也是固定的。在放电完成后，电容液位探测器14 的输入电容C放完电，新的充电周期开始。只有正过渡被用于触发固定时间的放电脉冲，因 此，时钟信号CLK的接通时间对放电器30没有任何影响。在图4A所示的本发明的较佳实施例中，液位检测装置10还包括脉宽调制比较器 32，所述脉宽调制比较器32将放电函数I转换成脉宽调制信号PWM-S，其占空比与输入电容 成比例。如图4B所示，脉宽调制信号PWM-S的占空比与输入电容总是成比例，因此较高的 电容2相应于较高的占空比4 (用虚线示出)，而较低的电容1则相应于较低的占空比3。在本发明的另一较佳实施例中，液位检测装置10还包括设置在比较器18. 1，18. 2 的信号输入端20，20. 1，20. 2处并被馈入脉宽调制信号PWM-S的滤波器和放大器级33，其中 所述滤波器和放大器级33去除了直流分量和只放大电压变化，产生与输入电容C的电容变 化成比例的电压脉冲。图5A至5C的序列所示为液位检测装置10在其工作的各个阶段，旁边的信号图所 示为液体检测响应信号RS以及在浸入输出21. 1和抽出输出21. 2的信号。图5A所示为在电容液位检测器14与储存在设于工作面400上的样品板300的井 301中的液体L接触之前的液位检测装置10。在该情况下，液体检测响应信号RS的幅度既 不会超过正阈值TV+，也不会低于负阈值TV_。图5A所示为理想的情况，其中液体检测响应信 号RS恒定为0。然而，由于例如振动的影响，或者只是简单地由于移液触点14. 2和工作面 400之间的距离缩短的影响，总是会有一些具有随机形状的噪声，该随机形状不一定类似于 在浸入和抽出过程中的典型形状(分别在图5B及5C示出)，但是，该噪声既不会超过正阈 值TV+，也不会低于负阈值TV_。图5B所示为在电容液位检测器14与储存在样品板300的井301中的液体L接触 时-即在浸入阶段中的液位检测装置10。电容液位检测器14与液体L接触使输入电容C 迅速增大，其继而导致液体检测响应信号RS的幅度超过正阈值TV+。浸入比较器18. 1会检 测到该情况，并会在浸入输出21. 1触发相应的信号来表示“浸入”。图5C所示为在电容液位检测器14与储存在样品板300的井301中的液体L停止 接触时_即在抽出阶段中的液位检测装置10。电容液位检测器14与液体L停止接触使输 入电容C迅速减�。浼潭贾乱禾寮觳庀煊π藕臨S的幅度低于负阈值TV_。抽出比较器18. 2会检测到该情况，并会在抽出输出21. 2触发相应的信号来表示“抽出”图6A所示为多通道式液位检测系统100的结构侧视图，其包括在浸入阶段中的多 个液位检测装置10。根据本发明的较佳实施例，所述多个液位检测装置10安装在单一 Y轴 �？�-也称为Y轴臂件101之上。在液体处理实验室设定中，每一液位检测装置10对应于 一个所谓的移液通道或ζ轴，其具有相应的在样品板300中的井301。图6B所示为包括多个液位检测装置10的多通道式液位检测系统100的透视图， 其示出多通道式液位检测系统100的多个轴以及设置在工作面400上的具有一系列井301 的样品板300。该图很好地示出了液位检测装置10的接近程度，这就是为何必须解决潜在 干扰的原因。图6B所示的实施例具有若干液位检测装置10，其安装在由X轴臂件105支承 的Y轴臂件101上。每一液位检测装置10具有各自的Y轴和各自的Z轴，因此各自的电容 液位探测器14是必要的，因为每一液位检测装置10要单独地工作。该多通道式液位检测 系统100的操作如下a)_将具有井301阵列的样品板300设置在所述多通道式液位检测系统100之下 的接地工作面400上；b)-通过将X轴臂件103沿X轴移动，直到Y轴臂件101在井301阵列中特定的要 求的一行之上来选择该行特定的井301阵列；c)-通过将各个液位检测装置10沿着其Y轴位移来选择特定的井301 ；d)-将一或多个独立的液位检测装置10沿着其Z轴位移，直到所述液位检测装置 10的触点14. 2浸入相应的井301中；e)_通过将各个液位检测装置10沿着其Z轴以相反方向位移，从所述井301中收 回相应的液位检测装置10的触点14. 2 ；f)_为需要处理的井301阵列中的每一行重复步骤b)到e)；g)_为与井阵列中每一行相对应的步骤b)到d)的每一序列储存和/或分析来自 每一液位检测装置10的输出端21的信号。图7所示为多通道式液位检测系统100的结构透视图，其包括安装在系统的多个 轴的不同臂件上的多个液位检测装置10。在这种布置中，本发明的进一步的优点很明显，其 中安装在不同的臂件上的多个液位检测装置10的同步会引起困难，其原因是布线的限制 以及可能是对每一液位检测装置10要具有不同灵敏度的要求。在该图中，单个多通道式液 位检测装置10是安装在每一所述多个Y轴臂件101之上，每一 Y轴臂件101由各自的Z轴 臂件103支承。该Z轴臂件103可安装在各自的或共用的X轴支架上。在更进一步的实施例中，多通道式液位检测系统100的每一所述多个液位检测装 置10可以安装在工作的可自由控制的机械臂上，其中可应用本发明的所述构恩，即灵敏度 和阈值TV皆可共同地为每一液位检测装置10通过相应的时钟信号CLK来调节。应该理解，基于上文所述的具体结构，在不背离本发明的如以下权利要求所限定 的范围下，还可使用许多变型。附图标号列表液位检测装置10基准信号发生器12电容液位检测器14
移液触点14. 2比较器18控制输入端19信号输入端20输出端21浸入比较器18. 1正阈值输入端19. 1信号输入端20.1浸入输出端21. 1抽出比较器18.2负阈值输入端19.2信号输入端20.2抽出输出端21.2放电器30脉宽调制比较器32滤波器和放大器级33多通道式液位检测系统100Y 轴臂件101Z 轴臂件103X 轴臂件105样品板300井301工作面400输入电容C液体检测响应信号RS放电函数IPWM-S 信号PWM-S时钟CLK控制值CV阈值TV正阈值TV+负阈值TV 液体L
权利要求
一种使用具有电容液位检测器(14)的液位检测装置(10)的液位检测方法，所述电容液位检测器具有输入电容(C)，如果所述电容液位检测器(14)与液体接触，所述输入电容(C)会改变，所述方法包括以下的步骤 产生具有预定接通时间(t1)的时钟信号(CLK)，所述预定接通时间对应于所述电容液位检测器(14)的预定灵敏度； 将所述时钟信号(CLK)馈给基准信号发生器(12)和所述电容液位检测器(14)； 所述基准信号发生器(12)产生源自所述时钟信号(CLK)的开/关比的控制值(CV)，并将所述控制值(CV)馈入比较器(18)的控制输入端(19)； 响应于所述输入电容(C)的改变，将所述电容液位检测器(14)的液体检测响应信号(RS)馈入所述比较器(18)的信号输入端(20)； 所述控制值(CV)确定所述比较器(18)的控制参数； 在所述电容液位检测器(14)的所述液体检测响应信号(RS)响应于所述电容液位检测器(14)的输入电容(C)的改变而超过阈值(TV)时，所述比较器(18)在输出端(21)发出输出信号。
2.根据权利要求1所述的液位检测方法，其特征在于所述控制参数为所述比较器(18)的所述信号输入端(20)的放大增益和/或所述比较 器(18)的所述阈值(TV)。
3.根据权利要求1所述的液位检测方法，其特征在于-所述比较器(18)包括浸入比较器(18. 1)和抽出比较器(18. 2)； _所述基准信号发生器(12)产生源自所述时钟信号(CLK)的所述开/关比的正阈值 (TV+)和负阈值(TVJ ；并且将所述正阈值(TV+)馈入所述浸入比较器(18. 1)的正阈值输入 端(19. 1)以及将所述负阈值(TVJ馈入所述抽出比较器(18.2)的负阈值输入端(19.2)； -在所述电容液位检测器(14)的所述液体检测响应信号(RS)响应于所述电容液位检 测器(14)的输入电容(C)的增大而正向超过所述正阈值(TV+)时，所述浸入比较器(18. 1) 在浸入输出端(21. 1)发出输出信号；-在所述电容液位检测器(14)的所述液体检测响应信号(RS)响应于所述电容液位检 测器(14)的输入电容(C)的减小而低于所述负阈值(TVJ时，所述抽出比较器(18.2)在 抽出输出端(21.2)发出输出信号。
4.根据以上任一权利要求所述的液位检测方法，其特征在于所述时钟信号(CLK)通过放电器(30)而馈入所述电容液位探测器(14)，所述放电器 (30)具有非活动状态和活动状态，其中在所述非活动状态时，所述输入电容(C)不断地充 电，而在所述活动状态时，所述输入电容(C)被放电；以及其中所述活动状态具有预定的长 度，并由所述时钟信号(CLK)的上升沿触发。
5.根据以上任一权利要求所述的液位检测方法，其特征在于所述输入电容(C)的改变是由于所述电容液位检测器(14)的移液触点(14. 2)与所述 液体接触，从而改变了所述输入电容(C)。
6.根据权利要求4所述的液位检测方法，其特征在于所述电容液位检测器(14)包括用于接触所述液体的移液触点(14. 2)，所述液体作为 电容电极的表面扩增物，从而改变所述电容液位检测器(14)的输入电容(C)。
7.根据以上任一权利要求所述的液位检测方法，其特征在于所述电容液位检测器(14)的放电函数(I)被馈入脉宽调制比较器(32)，所述脉宽调制 比较器(32)将所述放电函数(I)转换成脉宽调制信号(PWM-S)，所述脉宽调制信号的占空 比与所述输入电容(C)成比例，所述脉宽调制信号(PWM-S)由滤波器和放大器级(33)过滤 和放大，其中所述滤波器和放大器级(33)去除直流分量和只放大电压变化，从而在过滤和 放大的所述脉宽调制信号(PWM-S)中产生与所述输入电容(C)的电容变化成比例的电压脉 冲。
8.根据以上任一权利要求所述的液位检测方法，其特征在于多个液位检测装置(10)相对邻近地安装，其中为防止在所述液位检测装置(10)之 间的干扰，每一液位检测装置(10)被馈入不同频率的不同时钟信号(CLK)，每一时钟信号 (CLK)具有与各个电容液位检测器(14)的预定灵敏度相应的预定接通时间(tl)；以及其中 每一液位检测装置(10)的电容液位检测器(14)的因时钟信号(CLK)差异造成的灵敏度变 化被通过向每一液位检测装置(10)的每一比较器(18)馈送不同的控制值(CV)来进行自 补偿，所述控制值由每一液位检测装置(10)的基准信号发生器(12)基于所述不同时钟信 号(CLK)来产生。
9.一种用于电容液位检测的液位检测装置(10)，所述液位检测装置包括-电容液位检测器(14)，其具有输入电容(C)以及被馈入具有预定接通时间(tl)的时 钟信号(CLK)，所述预定接通时间对应于电容液位检测器(14)的预定灵敏度，如果至少部 分的电容液位检测器(14)与液体接触，所述输入电容(C)会改变；-基准信号发生器(12)，其被馈入所述时钟信号(CLK)，所述基准信号发生器(12)产生 源自所述时钟信号(CLK)的开/关比的控制值(CV)；-比较器(18)，其具有被馈入所述控制值(CV)的控制输入端(19)，所述控制值(CLK) 确定所述比较器(18)的控制参数；-信号输入端(20)，其被馈入响应于所述输入电容(C)的改变的所述电容液位检测器 (14)的液体检测响应信号(RS)；其中在所述电容液位检测器(14)的所述液体检测响应信 号(RS)响应于所述输入电容(C)的改变而超过阈值(TV)时，所述比较器(18)在输出端 (21)发出输出信号。
10.根据权利要求9所述的液位检测装置(10)，其特征在于所述控制参数为所述比较器(18)的所述信号输入端(20)的放大增益和/或所述比较 器(18)的阈值(TV)0
11.根据权利要求10所述的液位检测装置(10)，其特征在于 -所述比较器(18)包括浸入比较器(18. 1)和抽出比较器(18. 2)；_所述基准信号发生器(12)产生源自所述时钟信号(CLK)的所述开/关比的正阈值 (TV+)和负阈值(TV_)；-所述正阈值(TV+)被馈入所述浸入比较器(18. 1)的正阈值输入端(19. 1)； -所述负阈值(TVJ被馈入所述抽出比较器(18.2)的负阈值输入端(19.2)； -在所述电容液位检测器(14)的所述液体检测响应信号(RS)响应于所述电容液位检 测器(14)的输入电容(C)的改变而正向超过所述正阈值(TV+)时，所述浸入比较器(18. 1) 在浸入输出端(21. 1)发出输出信号；-在所述电容液位检测器(14)的所述液体检测响应信号(RS)响应于所述电容液位检 测器(14)的输入电容(C)的改变而低于所述负阈值(TVJ时，所述抽出比较器(18.2)在 抽出输出端(21.2)发出输出信号。
12.根据权利要求9至11其中一项所述的液位检测装置(10)，其特征在于所述液位检测装置(10)进一步包括放电器(30)，所述放电器(30)设置在所述电容 液位探测器(14)之前，所以被馈入所述时钟信号(CLK)，所述放电器(30)具有非活动状态 和活动状态，其中在所述非活动状态时，所述输入电容(C)不断地充电，而在所述活动状态 时，所述输入电容(C)被放电；以及其中所述活动状态具有预定的长度，并由所述时钟信号 (CLK)的上升沿触发。
13.根据权利要求9至12其中一项所述的液位检测装置(10)，其特征在于所述输入电容(C)的改变是由于所述电容液位检测器(14)的移液触点(14. 2)与所述液体接触，从而改变了所述输入电容(C)。
14.根据权利要求13所述的液位检测装置(10)，其特征在于所述电容液位检测器(14)包括用于接触所述液体的移液触点(14. 2)，所述液态作为 电容电极的表面扩增物，从而改变所述电容液位检测器(14)的输入电容(C)。
15.根据权利要求9至14其中一项所述的液位检测装置(10)，其特征在于所述液位检测装置(10)进一步包括脉宽调制比较器(32)，其设置在所述比较器(18) 的所述信号输入(20)之前，所述脉宽调制比较器(32)将所述电容液位检测器(14)的放电 函数(I)转换成脉宽调制信号(PWM-S)，所述脉宽调制信号的占空比与所述输入电容(C) 成比例，所述脉宽调制信号(PWM-S)由滤波器和放大器级(33)过滤和放大，其中所述滤波 器和放大器级(33)去除直流分量和只放大电压变化，从而在过滤和放大的所述脉宽调制 信号(PWM-S)中产生与所述输入电容(C)的电容变化成比例的电压脉冲。
16.一种包括多个根据权利要求9至15其中一项所述的液位检测装置(10)的多通道 式液位检测系统(100)，其特征在于所述多个液位检测装置(10)相对邻近地安装，其中为防止在所述液位检测装置(10) 之间的干扰，每一液位检测装置(10)被馈入不同频率的不同时钟信号(CLK)，每一时钟信 号(CLK)具有与各个电容液位检测器(14)的预定灵敏度相应的预定接通时间(tl)；以及 其中每一液位检测装置(10)的电容液位检测器(14)的因时钟信号(CLK)差异造成的灵敏 度变化被通过向每一液位检测装置(10)的每一比较器(18)馈送不同的控制值(CV)来进 行自补偿，所述控制值由每一液 检测装置(10)的基准信号发生器(12)基于所述不同时 钟信号(CLK)来产生。
全文摘要
使用液位检测装置(10)的液位检测方法和相应设备，所述液位检测装置具有电容液位检测器(14)，其具有的输入电容(C)在所述电容液位检测器(14)与液体接触时会改变，所述的方法包括以下的步骤产生具有预定接通时间(t1)的时钟信号(CLK)，所述预定接通时间相应于所述电容液位检测器(14)的预定灵敏度；将所述时钟信号(CLK)馈给基准信号发生器(12)和所述电容液位检测器(14)；所述基准信号发生器(12)产生源自所述时钟信号(CLK)的开/关比的控制值(CV)，并将所述控制值(CV)馈入比较器(18)的控制输入端(19)；响应于所述时钟信号(CLK)，将所述电容液位检测器(14)的液体检测响应信号(RS)馈入所述比较器(18)的信号输入端(20)；在所述液体检测响应信号(RS)响应于所述输入电容(C)的改变而超过阈值(TV)时，所述比较器(18)在输出端(21)发出输出信号。
文档编号G01F23/26GK101943594SQ20101022701
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年7月1日
发明者P·米尔赛特 申请人:泰肯贸易股份公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
