專利名稱：高溫液體濃度在線檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種液體濃度的檢測(cè)裝置，特別是適用于工業(yè)生產(chǎn)流程中高溫液體濃度的在線檢測(cè)。
目前用于現(xiàn)場(chǎng)的濃度計(jì)有浮子式、差壓式、振動(dòng)管式或光吸收式等。浮子式濃度計(jì)是利用浮力原理，當(dāng)被測(cè)液體的濃度變化時(shí)，作用在浮子上的浮力也發(fā)生變化，從而使浮子上浮或下沉，測(cè)出浮子位置的變化，即可求出液體的濃度。差壓式濃度計(jì)是利用差壓原理，當(dāng)一定高度內(nèi)液體的濃度發(fā)生變化時(shí)，壓差也發(fā)生變化，測(cè)出壓差，即可求得液體的濃度。這兩種濃度計(jì)均可在現(xiàn)場(chǎng)使用，但它們的測(cè)量精度只能達(dá)到1％，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)流程的需要。振動(dòng)管式濃度計(jì)是基于彈性振動(dòng)管的振動(dòng)頻率隨其內(nèi)部液體濃度的變化而改變，測(cè)出其振動(dòng)頻率，測(cè)可求出其管內(nèi)液體的濃度。其測(cè)量精度可以達(dá)±0.1％，是目前在線濃度測(cè)量精度較高的一種。其缺點(diǎn)在于振動(dòng)管的技術(shù)要求很高，如壁要薄(0.5mm)，均勻，質(zhì)輕，管段長(zhǎng)(一般要加工成U型，長(zhǎng)1.3m左右)，因此加工工藝復(fù)雜，國(guó)內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)，造價(jià)很高。另一缺點(diǎn)是，被測(cè)液體必須經(jīng)過“采樣——冷卻——循環(huán)”的過程，破壞了原液體的溫度流動(dòng)狀態(tài)，也破壞了被測(cè)液體的物理、化學(xué)性質(zhì)，故該濃度計(jì)不能廣泛被利用。而且采樣——冷卻——循環(huán)也需要一個(gè)龐大的、復(fù)雜的系統(tǒng)，更增加了該類裝置的成本。吸收式濃度計(jì)是基于被測(cè)液體對(duì)光波的能量吸收與濃度有關(guān)的原理。該方法對(duì)于某一特定溶液，檢測(cè)精度可達(dá)±0.1％，但對(duì)其他液體，就不適用了。同時(shí)，該方法不適于測(cè)高溫液體濃度，因?yàn)楦邷匾后w內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重影響分子吸收能量。因此使用該方法時(shí)，也必須經(jīng)過“采樣——冷卻——循環(huán)”這樣的過程，存在與振動(dòng)管式濃度計(jì)同樣的缺陷。
本實(shí)用新型的目的就是提供一種能對(duì)高溫液體濃度直接進(jìn)行非接觸檢測(cè)，不再需要進(jìn)行“采樣——冷卻——循環(huán)”過程；能遠(yuǎn)距離傳送濃度檢測(cè)信號(hào)；檢測(cè)精度達(dá)到±0.1％，分辨率為±0.05％；并且造價(jià)低，制作較易，使用、維護(hù)方便，應(yīng)用范圍廣泛的高溫液體濃度在線檢測(cè)裝置。
本實(shí)用新型是由濃度探頭，信號(hào)傳輸系統(tǒng)，信號(hào)檢測(cè)即線陣電荷耦合圖象傳感器(CCD)和中間處理電路、微機(jī)、顯示、打印、報(bào)警等部分組成。
濃度探頭是根據(jù)單光全反射原理設(shè)計(jì)的。其理論依據(jù)為在一定壓力和溫度下，液體濃度與折射率有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)全反射原理，可以測(cè)出液體的折射率，從而測(cè)出液體的濃度。其檢測(cè)原理由附

圖1來表示。光從光密媒質(zhì)(折射率為n1)射向與光疏媒質(zhì)(n2)的界面，將發(fā)生反射和折射，用α、α′、β分別標(biāo)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(dāng)β從0增加到90°時(shí)，α從0增加到αm，稱之為臨界入射角，這時(shí)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(fā)生全反射，如圖中標(biāo)以B的光線(反射后為B′)，凡入射角小于αm(如標(biāo)A的光線)在界面上將發(fā)生折射(標(biāo)A′的光線)，只有極微弱的部分反射，(標(biāo)以A″的光線)。這時(shí)，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(qū)域很亮，因?yàn)楣馊瓷?，小于α′m的區(qū)域很暗，因?yàn)榇蟛糠止饩€折射進(jìn)入介質(zhì)n2。明、暗圖象有一明顯的分界線，就是對(duì)應(yīng)臨界角的臨界線。測(cè)出臨界線的位置，就求出了折射率從而測(cè)出了液體的濃度。
根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的高溫濃度探頭有一個(gè)檢測(cè)棱鏡，它的折射率n1已知。檢測(cè)棱鏡裝在一個(gè)不銹鋼管的一端。檢測(cè)棱鏡的檢測(cè)平面與被測(cè)液體直接接觸。入射光由光導(dǎo)纖維沿臨界角引入棱鏡，在棱鏡與液體界面上發(fā)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(dǎo)纖維束。為了測(cè)出液體溫度，在檢測(cè)棱鏡與液體接觸的部位上裝有一個(gè)溫度傳感器探頭，可以同時(shí)將液體溫度的信號(hào)引出。
從濃度探頭引出的光學(xué)圖象信號(hào)，經(jīng)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(xué)圖象轉(zhuǎn)換為電子圖象。象檢測(cè)原理如附圖2所示。根據(jù)幾何光學(xué)牛頓公式，光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)M＝(IX／LX)＝f／(a－f)這里L(fēng)X——物長(zhǎng)，即明暗圖象臨界線的位置，IX＝NX·S為象長(zhǎng)，即臨界線在CCD上成象的位置，NX是傳感器輸出視頻脈沖數(shù)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?yàn)楸壤禂?shù)C＝S(a－f)／f是由CCD結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)已確定的常數(shù)，故只要測(cè)出視頻脈沖數(shù)目NX，就可求出LX，即臨界線的位置。
根據(jù)上述原理，CCD采集到的信號(hào)，即視頻脈沖數(shù)目NX經(jīng)中間處理器進(jìn)入微計(jì)算機(jī)，經(jīng)溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)也同時(shí)進(jìn)入微計(jì)算機(jī)，經(jīng)微計(jì)算機(jī)處理即可直接給出經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的液體濃度。結(jié)果可以在顯示屏上顯示、報(bào)警，也可在打印機(jī)上打出。若在微計(jì)算機(jī)輸出端配上D／A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)流程中濃度的自動(dòng)控制。
本實(shí)用新型提供的高溫液體濃度在線檢測(cè)裝置，其濃度探頭可以直接置于被測(cè)液體之中，可以實(shí)時(shí)、快速地采集工業(yè)流程中液體的濃度信號(hào)，經(jīng)CCD圖象傳感器和微計(jì)算機(jī)配合對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出液體的濃度。利用軟件和同時(shí)采集到的溫度信號(hào)將液體濃度補(bǔ)償為20℃標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)的液體濃度。由于CCD圖象傳感器使用同步掃描測(cè)位置代替了習(xí)慣上測(cè)能量的方法，提高了測(cè)試精度；中間處理器使用相關(guān)采樣，消除了幅值大時(shí)間長(zhǎng)的干擾脈沖，提高了信噪比，減少了誤差，提高了可靠性和穩(wěn)定度。本實(shí)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(yuǎn)距離、快速準(zhǔn)確在線自動(dòng)檢測(cè)，精度可達(dá)±0.1％，完全滿足一般工業(yè)生產(chǎn)流程需要，成本低，使用靈活，適用范圍廣闊。
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖，更詳細(xì)地對(duì)本實(shí)用新型的測(cè)量原理、裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
附圖1是濃度探頭檢測(cè)原理圖；附圖2是象傳感檢測(cè)原理圖；附圖3是濃度探頭結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4是光導(dǎo)纖維光路示意圖；附圖5控制顯示單元構(gòu)成框圖。
附圖1是濃度探頭檢測(cè)原理圖。圖中(1)——光源，(2)、(3)兩個(gè)透鏡組成光學(xué)系統(tǒng)，將入射光沿臨界方向射到兩種媒質(zhì)的界面(4)上，在界面上，發(fā)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(fā)生折射(A″)折射角為β大于臨界角的光線如B，發(fā)生全反射(B′)。在臨界反射角方位上將出現(xiàn)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(zhì)；(5)表示折射率為n2的光疏媒質(zhì)。
附圖2是象傳感檢測(cè)原理圖。明暗圖象(7)經(jīng)透鏡(8)聚焦在線陣(CCD)象傳感器上。(10)表示輸出視頻脈沖數(shù)NX；圖中，用LX標(biāo)志臨界線的位置，IX表示臨界線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)示意圖。該探頭有一個(gè)筒狀不銹鋼外殼(15)一個(gè)檢測(cè)棱鏡(22)封接在外殼(15)的一端。入射光由入射光透鏡(29)進(jìn)入經(jīng)過濾光片(28)成為單色光。為減少色散帶來的測(cè)量誤差，濾光片(28)應(yīng)針對(duì)不同被測(cè)液體選擇不同的透過波長(zhǎng)。上述單色光(27)經(jīng)入射光反射鏡(25)，射入檢測(cè)棱鏡(22)。為了調(diào)節(jié)入射單色光(27)進(jìn)入檢測(cè)棱鏡(22)的角度，反射鏡(25)由軸孔結(jié)構(gòu)(26)連接在外殼(15)上，正對(duì)反射鏡(25)的外殼上有一個(gè)帶螺扣的孔，一個(gè)沉頭調(diào)節(jié)螺釘(24)可由外面旋進(jìn)旋出。軸孔結(jié)構(gòu)(26)，調(diào)節(jié)螺釘(24)和拉緊彈簧(23)組成入射光反射鏡(25)調(diào)整機(jī)構(gòu)。出射光反射鏡(17)也有由拉緊彈簧(19)，調(diào)節(jié)螺釘(18)，軸孔結(jié)構(gòu)(16)組成的調(diào)整機(jī)構(gòu)。由于不同被測(cè)液體的濃度不同，因而其臨界入射角也不同。調(diào)整反射鏡的角度即可改變?nèi)肷涔獾呐R界角。因此，濃度探頭的量程范圍是由反射鏡的調(diào)整機(jī)構(gòu)來調(diào)整的。入射光在檢測(cè)棱鏡(22)與被測(cè)液體接觸的界面上反射，出射光經(jīng)反射鏡(17)從出射光透鏡(12)出射。在檢測(cè)棱鏡(22)上還有一個(gè)小孔(20)，里面封裝了一個(gè)溫度傳感器探頭(21)。這個(gè)探頭和被測(cè)液體熱接觸，測(cè)得的溫度信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線(14)在A(11)處，接入歐姆／頻率(Ω／F)變換器進(jìn)入微計(jì)算機(jī)作為溫度補(bǔ)償使用。
附圖4是光導(dǎo)纖維光路示意圖。該光路系統(tǒng)主要由入射光光導(dǎo)纖維(32)，出射光光導(dǎo)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(lián)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(tǒng)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(shí)際上就是在線陣CCD象傳感器上成象的光學(xué)系統(tǒng)；入射光透鏡(31)則是將光源的發(fā)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(gòu)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(jīng)同步掃描放大，整形處理，然后輸入微計(jì)算機(jī)(42)。溫度傳感器測(cè)出的溫度信號(hào)也經(jīng)過歐姆／頻率(Ω／F)變換器(39)同時(shí)輸入微計(jì)算機(jī)(42)。通過軟件，微計(jì)算機(jī)將采集的濃度信號(hào)、溫度信號(hào)處理給出在標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)下的液體濃度值，可以在顯示報(bào)警屏(41)上顯示，也可在打印機(jī)(40)上打印出來。光源(38)一般使用白熾燈泡或發(fā)光二極管均可。如果使用激光光源，將大大提高測(cè)量的可靠性穩(wěn)定性和精度，可以省掉濾光片，但制造成本將相應(yīng)提高。
作為一個(gè)實(shí)施例，本實(shí)用新型應(yīng)用于啤酒糖化工序時(shí)麥汁糖度(重量百分比濃度)在線檢測(cè)。該實(shí)施例的檢測(cè)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(zhǎng)λ＝589nm黃光D線。被測(cè)液體為煮沸鍋麥汁糖度。達(dá)到的指標(biāo)是糖度量程范圍0～25％(四位數(shù)字顯示)；最大絕對(duì)誤差≤±0.1％；分辨率≤±0.01％；重復(fù)誤差≤±0.1％；被測(cè)液體溫度0～110℃；環(huán)境溫度0～50℃；環(huán)境濕度85％以上；可在0～150m范圍內(nèi)遠(yuǎn)距離傳送電信號(hào)。
權(quán)利要求1.一種由微計(jì)算機(jī)(42)，顯示報(bào)警屏(41)，打印機(jī)(40)，中間處理器(43)，歐姆/頻率轉(zhuǎn)換電路(39)組成的高溫液體濃度在線檢測(cè)裝置，其特征在于該裝置中還有一個(gè)濃度探頭，一個(gè)由光導(dǎo)纖維和光耦合器組成的光路，光源(38)和一個(gè)線陣電荷耦合器(CCD)圖象傳感器(44)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濃度探頭，其特征在于有一個(gè)檢測(cè)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(cè)棱鏡上有一個(gè)封裝溫度傳感器探頭的孔(20)，溫度傳感器探頭(21)和與檢測(cè)棱鏡直接接觸的被測(cè)液體熱接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的濃度探頭，其特征在于有兩個(gè)方向可調(diào)節(jié)的反射鏡(25)，(17)裝在不銹鋼外殼(15)內(nèi)靠近檢測(cè)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(duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的濃度探頭，其特征在于檢測(cè)棱鏡(22)是用耐高溫的石英玻璃制成，形狀是半球形，與被測(cè)液體接觸的檢測(cè)面是平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的濃度探頭中的兩個(gè)反射鏡，其特征在于方向調(diào)整機(jī)構(gòu)由軸孔結(jié)構(gòu)(26)、(16)、調(diào)節(jié)螺釘(24)、(18)和拉緊彈簧(23)、(19)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光導(dǎo)纖維和光耦合器組成的光路，其特征在于光導(dǎo)纖維是由單根的入射光光導(dǎo)纖維(32)和成束的出射光光導(dǎo)纖維束(36)組成，兩端有光耦合器(37)、(35)，并且有與濃度探頭聯(lián)接的卡口定位裝置。
7.根據(jù)權(quán)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(shù)Nx與表示液體濃度值的臨界線位置數(shù)值Lx成比例，比例系數(shù)是由光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)、線陣光敏元結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源(38)，其特征在于是白熾燈泡或發(fā)光二極管或激光源。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種高溫液體濃度在線檢測(cè)裝置。主要由濃度探頭、光導(dǎo)纖維光路系統(tǒng)、線陣CCD圖象傳感器、中間處理器及微機(jī)、顯示屏、打印機(jī)等構(gòu)成。濃度探頭可以直接插入被測(cè)液體，直接、快速采集濃度、溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)微機(jī)處理，顯示或打印出經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)囊后w標(biāo)準(zhǔn)濃度。被測(cè)液體溫度范圍為0～110℃，濃度測(cè)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(yè)生產(chǎn)流程的在線檢測(cè)。若在微機(jī)輸出端配上D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行器，就可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)流程中濃度的自動(dòng)控制。摘要附圖給出本實(shí)用新型關(guān)鍵部件濃度探頭結(jié)構(gòu)示意圖。
文檔編號(hào)G01N21/41GK2091456SQ9120952
公開日1991年12月25日 申請(qǐng)日期1991年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月14日
發(fā)明者李自如, 董迺斌 申請(qǐng)人:北京輕工業(yè)學(xué)院