專利名稱:高溫液體濃度在線檢測裝置的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及一種液體濃度的檢測裝置,特別是適用于工業生產流程中高溫液體濃度的在線檢測。
目前用于現場的濃度計有浮子式、差壓式、振動管式或光吸收式等。浮子式濃度計是利用浮力原理,當被測液體的濃度變化時,作用在浮子上的浮力也發生變化,從而使浮子上浮或下沉,測出浮子位置的變化,即可求出液體的濃度。差壓式濃度計是利用差壓原理,當一定高度內液體的濃度發生變化時,壓差也發生變化,測出壓差,即可求得液體的濃度。這兩種濃度計均可在現場使用,但它們的測量精度只能達到1%,滿足不了現代工業流程的需要。振動管式濃度計是基于彈性振動管的振動頻率隨其內部液體濃度的變化而改變,測出其振動頻率,測可求出其管內液體的濃度。其測量精度可以達±0.1%,是目前在線濃度測量精度較高的一種。其缺點在于振動管的技術要求很高,如壁要薄(0.5mm),均勻,質輕,管段長(一般要加工成U型,長1.3m左右),因此加工工藝復雜,國內很難實現,造價很高。另一缺點是,被測液體必須經過“采樣——冷卻——循環”的過程,破壞了原液體的溫度流動狀態,也破壞了被測液體的物理、化學性質,故該濃度計不能廣泛被利用。而且采樣——冷卻——循環也需要一個龐大的、復雜的系統,更增加了該類裝置的成本。吸收式濃度計是基于被測液體對光波的能量吸收與濃度有關的原理。該方法對于某一特定溶液,檢測精度可達±0.1%,但對其他液體,就不適用了。同時,該方法不適于測高溫液體濃度,因為高溫液體內分子熱運動嚴重影響分子吸收能量。因此使用該方法時,也必須經過“采樣——冷卻——循環”這樣的過程,存在與振動管式濃度計同樣的缺陷。
本實用新型的目的就是提供一種能對高溫液體濃度直接進行非接觸檢測,不再需要進行“采樣——冷卻——循環”過程;能遠距離傳送濃度檢測信號;檢測精度達到±0.1%,分辨率為±0.05%;并且造價低,制作較易,使用、維護方便,應用范圍廣泛的高溫液體濃度在線檢測裝置。
本實用新型是由濃度探頭,信號傳輸系統,信號檢測即線陣電荷耦合圖象傳感器(CCD)和中間處理電路、微機、顯示、打印、報警等部分組成。
濃度探頭是根據單光全反射原理設計的。其理論依據為在一定壓力和溫度下,液體濃度與折射率有一一對應的關系。根據全反射原理,可以測出液體的折射率,從而測出液體的濃度。其檢測原理由附
圖1來表示。光從光密媒質(折射率為n1)射向與光疏媒質(n2)的界面,將發生反射和折射,用α、α′、β分別標志入射角、反射角、折射角,則有α=α′n1sinα=n2sinβ由于n1>n2,所以sinα<sinβ,當β從0增加到90°時,α從0增加到αm,稱之為臨界入射角,這時α′m稱為臨界反射角。有 α′m=αm=sin-1( (n2)/(n1) )我們可以看出,入射光凡入射角大于αm的將在界面上發生全反射,如圖中標以B的光線(反射后為B′),凡入射角小于αm(如標A的光線)在界面上將發生折射(標A′的光線),只有極微弱的部分反射,(標以A″的光線)。這時,在臨界反射角α′m的方位上置一目鏡,就可看到,大于α′m的區域很亮,因為光全反射,小于α′m的區域很暗,因為大部分光線折射進入介質n2。明、暗圖象有一明顯的分界線,就是對應臨界角的臨界線。測出臨界線的位置,就求出了折射率從而測出了液體的濃度。
根據這一原理設計的高溫濃度探頭有一個檢測棱鏡,它的折射率n1已知。檢測棱鏡裝在一個不銹鋼管的一端。檢測棱鏡的檢測平面與被測液體直接接觸。入射光由光導纖維沿臨界角引入棱鏡,在棱鏡與液體界面上發生全反射。在反射光臨界角的方位上,裝有將反射光引出的光導纖維束。為了測出液體溫度,在檢測棱鏡與液體接觸的部位上裝有一個溫度傳感器探頭,可以同時將液體溫度的信號引出。
從濃度探頭引出的光學圖象信號,經過透鏡在線陣電荷耦合器件(CCD)圖象傳感器上成象,從而將光學圖象轉換為電子圖象。象檢測原理如附圖2所示。根據幾何光學牛頓公式,光學系統的放大倍數M=(IX/LX)=f/(a-f)這里LX——物長,即明暗圖象臨界線的位置,IX=NX·S為象長,即臨界線在CCD上成象的位置,NX是傳感器輸出視頻脈沖數目,S是光敏元中心間距,f是焦距,a是物距。上式稍加變化,即可寫成LX=NXS(a-f)/f=C·NX因為比例系數C=S(a-f)/f是由CCD結構和光學系統已確定的常數,故只要測出視頻脈沖數目NX,就可求出LX,即臨界線的位置。
根據上述原理,CCD采集到的信號,即視頻脈沖數目NX經中間處理器進入微計算機,經溫度傳感器采集到的溫度信號也同時進入微計算機,經微計算機處理即可直接給出經過溫度補償后的液體濃度。結果可以在顯示屏上顯示、報警,也可在打印機上打出。若在微計算機輸出端配上D/A轉換器和執行器,可實現工業生產流程中濃度的自動控制。
本實用新型提供的高溫液體濃度在線檢測裝置,其濃度探頭可以直接置于被測液體之中,可以實時、快速地采集工業流程中液體的濃度信號,經CCD圖象傳感器和微計算機配合對信號進行處理,能快速準確地檢測出液體的濃度。利用軟件和同時采集到的溫度信號將液體濃度補償為20℃標準條件時的液體濃度。由于CCD圖象傳感器使用同步掃描測位置代替了習慣上測能量的方法,提高了測試精度;中間處理器使用相關采樣,消除了幅值大時間長的干擾脈沖,提高了信噪比,減少了誤差,提高了可靠性和穩定度。本實用新型可廣泛適用于各種液體、各種溫度(0~110℃)濃度的非接觸、遠距離、快速準確在線自動檢測,精度可達±0.1%,完全滿足一般工業生產流程需要,成本低,使用靈活,適用范圍廣闊。
下面結合實施例及其附圖,更詳細地對本實用新型的測量原理、裝置結構進行說明。
附圖1是濃度探頭檢測原理圖;附圖2是象傳感檢測原理圖;附圖3是濃度探頭結構示意圖;附圖4是光導纖維光路示意圖;附圖5控制顯示單元構成框圖。
附圖1是濃度探頭檢測原理圖。圖中(1)——光源,(2)、(3)兩個透鏡組成光學系統,將入射光沿臨界方向射到兩種媒質的界面(4)上,在界面上,發生折射或反射,臨界入射角記為αm,臨界反射角記為αm′入射角小于臨界角的光線A將發生折射(A″)折射角為β大于臨界角的光線如B,發生全反射(B′)。在臨界反射角方位上將出現明暗圖象(7),臨界線的位置處于臨界反射角的位置上。使用透鏡(8),可以將明暗圖象聚焦在線陣(CCD)象傳感器(9)上。(6)表示折射率為n1的光密媒質;(5)表示折射率為n2的光疏媒質。
附圖2是象傳感檢測原理圖。明暗圖象(7)經透鏡(8)聚焦在線陣(CCD)象傳感器上。(10)表示輸出視頻脈沖數NX;圖中,用LX標志臨界線的位置,IX表示臨界線經光學系統后在CCD上成象的位置,a表示物距,f表示焦距。
附圖3是濃度探頭結構示意圖。該探頭有一個筒狀不銹鋼外殼(15)一個檢測棱鏡(22)封接在外殼(15)的一端。入射光由入射光透鏡(29)進入經過濾光片(28)成為單色光。為減少色散帶來的測量誤差,濾光片(28)應針對不同被測液體選擇不同的透過波長。上述單色光(27)經入射光反射鏡(25),射入檢測棱鏡(22)。為了調節入射單色光(27)進入檢測棱鏡(22)的角度,反射鏡(25)由軸孔結構(26)連接在外殼(15)上,正對反射鏡(25)的外殼上有一個帶螺扣的孔,一個沉頭調節螺釘(24)可由外面旋進旋出。軸孔結構(26),調節螺釘(24)和拉緊彈簧(23)組成入射光反射鏡(25)調整機構。出射光反射鏡(17)也有由拉緊彈簧(19),調節螺釘(18),軸孔結構(16)組成的調整機構。由于不同被測液體的濃度不同,因而其臨界入射角也不同。調整反射鏡的角度即可改變入射光的臨界角。因此,濃度探頭的量程范圍是由反射鏡的調整機構來調整的。入射光在檢測棱鏡(22)與被測液體接觸的界面上反射,出射光經反射鏡(17)從出射光透鏡(12)出射。在檢測棱鏡(22)上還有一個小孔(20),里面封裝了一個溫度傳感器探頭(21)。這個探頭和被測液體熱接觸,測得的溫度信號經導線(14)在A(11)處,接入歐姆/頻率(Ω/F)變換器進入微計算機作為溫度補償使用。
附圖4是光導纖維光路示意圖。該光路系統主要由入射光光導纖維(32),出射光光導纖維束(35)和兩端的光耦合器(33),(37)組成。光耦合器(37)一端,有卡口定位裝置與濃度探頭聯接。卡口定位裝置可保證入射光透鏡(31)、出射光透鏡(30)與濃度探頭的入射光透鏡(29)、出射光透鏡(12)組成通暢的光路連接。光路系統的另一端,光耦合器(33)直接連在控制顯示單元上。出射光透鏡(35)實際上就是在線陣CCD象傳感器上成象的光學系統;入射光透鏡(31)則是將光源的發散光變成平行光輸入入射光纖(32)。
附圖5是控制顯示單元構成框圖。圖中(44)是線陣CCD象傳感器,(43)是中間處理器,它將從(44)輸出的視頻脈沖經同步掃描放大,整形處理,然后輸入微計算機(42)。溫度傳感器測出的溫度信號也經過歐姆/頻率(Ω/F)變換器(39)同時輸入微計算機(42)。通過軟件,微計算機將采集的濃度信號、溫度信號處理給出在標準溫度(20℃)下的液體濃度值,可以在顯示報警屏(41)上顯示,也可在打印機(40)上打印出來。光源(38)一般使用白熾燈泡或發光二極管均可。如果使用激光光源,將大大提高測量的可靠性穩定性和精度,可以省掉濾光片,但制造成本將相應提高。
作為一個實施例,本實用新型應用于啤酒糖化工序時麥汁糖度(重量百分比濃度)在線檢測。該實施例的檢測棱鏡是用耐高溫的石英玻璃制成的半球型棱鏡,光源使用 白熾燈泡,濾光片選用波長λ=589nm黃光D線。被測液體為煮沸鍋麥汁糖度。達到的指標是糖度量程范圍0~25%(四位數字顯示);最大絕對誤差≤±0.1%;分辨率≤±0.01%;重復誤差≤±0.1%;被測液體溫度0~110℃;環境溫度0~50℃;環境濕度85%以上;可在0~150m范圍內遠距離傳送電信號。
權利要求1.一種由微計算機(42),顯示報警屏(41),打印機(40),中間處理器(43),歐姆/頻率轉換電路(39)組成的高溫液體濃度在線檢測裝置,其特征在于該裝置中還有一個濃度探頭,一個由光導纖維和光耦合器組成的光路,光源(38)和一個線陣電荷耦合器(CCD)圖象傳感器(44)。
2.根據權利要求1所述的濃度探頭,其特征在于有一個檢測棱鏡(22)緊密地封接在由不銹鋼制成的筒狀外殼(15)的一端,在檢測棱鏡上有一個封裝溫度傳感器探頭的孔(20),溫度傳感器探頭(21)和與檢測棱鏡直接接觸的被測液體熱接觸。
3.根據權利要求1或2所述的濃度探頭,其特征在于有兩個方向可調節的反射鏡(25),(17)裝在不銹鋼外殼(15)內靠近檢測棱鏡一端,與裝在外殼另一端的入射光透鏡(29)和反射光透鏡(12)成直線相對。
4.根據權利要求1或2所述的濃度探頭,其特征在于檢測棱鏡(22)是用耐高溫的石英玻璃制成,形狀是半球形,與被測液體接觸的檢測面是平面。
5.根據權利要求3所述的濃度探頭中的兩個反射鏡,其特征在于方向調整機構由軸孔結構(26)、(16)、調節螺釘(24)、(18)和拉緊彈簧(23)、(19)組成。
6.根據權利要求1所述的光導纖維和光耦合器組成的光路,其特征在于光導纖維是由單根的入射光光導纖維(32)和成束的出射光光導纖維束(36)組成,兩端有光耦合器(37)、(35),并且有與濃度探頭聯接的卡口定位裝置。
7.根據權利要求1所述的線陣電荷耦合器(CCD)圖象傳感器(44),其特征在于輸出的視頻脈沖數Nx與表示液體濃度值的臨界線位置數值Lx成比例,比例系數是由光學系統參數、線陣光敏元結構參數確定的常數。
8.根據權利要求1所述的光源(38),其特征在于是白熾燈泡或發光二極管或激光源。
專利摘要本實用新型提供一種高溫液體濃度在線檢測裝置。主要由濃度探頭、光導纖維光路系統、線陣CCD圖象傳感器、中間處理器及微機、顯示屏、打印機等構成。濃度探頭可以直接插入被測液體,直接、快速采集濃度、溫度數據,經微機處理,顯示或打印出經過溫度補償的液體標準濃度。被測液體溫度范圍為0~110℃,濃度測量誤差小于±0.1%,完全滿足啤酒、果汁、糖類等各種飲料及抗生素藥品、紙漿等的工業生產流程的在線檢測。若在微機輸出端配上D/A轉換器和執行器,就可實現工業生產流程中濃度的自動控制。摘要附圖給出本實用新型關鍵部件濃度探頭結構示意圖。
文檔編號G01N21/41GK2091456SQ9120952
公開日1991年12月25日 申請日期1991年6月14日 優先權日1991年6月14日
發明者李自如, 董迺斌 申請人:北京輕工業學院