CN104197992B - 一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置，属于测量技术领域，其特征在于是一种将传感器设计成根据电容信号、压差信号与温度信号三种信号分别测量乳化液浓度、液位与温度的三重功能一体化结构的测量装置。该装置解决了现有的测量乳化液浓度、液位与温度装置存在的弊端，可广泛适用于乳化液浓度、液位与温度测量有严格要求的各种重要场合，具有可靠性高、结构紧凑、安装方便、价格便宜等优点。
Description
技术领域
本发明一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置，属于测量技术领域，具体涉及一种将传感器设计成根据电容信号、压差信号与温度信号三种信号分别测量乳化液浓度、液位与温度的三重功能一体化结构的测量装置。适用于对乳化液浓度、液位与温度测量有严格要求的各种重要场合，具有可靠性高、结构紧凑、安装方便等优点。
背景技术
乳化液是国内外煤矿液压支架和液压支柱所采用的工作介质。乳化液由乳化油和水按严格的比例配制，其浓度是评价乳化液性能的一个重要指标。传统测量乳化液浓度的传感器种类很多，主要有光学折射式、光学混浊度式、超声波时差式、超声波衰减式及电容式等乳化液浓度测量传感器。测量乳化液液位的传感器种类也很多，主要有浮球式、电容式、磁性式与投入式等乳化液液位传感器。国内现存的乳化液自动配比装置对所配制的乳化液浓度、液位与温度进行在线监测和实时监控所用的传感器都是各自独立，这给生产实际中的安装操作、人员使用带来一定的不便，价格也相对较高。
发明内容
本发明一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置，其目的在于解决现有的测量乳化液浓度、液位与温度装置存在的弊端，公开一种将传感器设计成根据电容信号、压差信号与温度信号三种信号分别测量乳化液浓度、液位与温度的三重功能一体化结构测量装置的技术方案。适用于乳化液浓度、液位与温度测量有严格要求的各种重要场合，具有测量精度高、量程范围大、结构简单紧凑、安装方便、价格便宜等优点。
本发明一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置，其特征在于是一种将传感器设计成根据电容信号、压差信号与温度信号三种信号分别测量乳化液浓度、液位与温度的三重功能一体化结构的测量装置，其整套装置由传感器和电路两部分组成，所述的传感器部分由同轴圆柱电容探头外电极1、同轴圆柱电容探头内电极顶部2、环氧树脂3、第一环形密封圈4、同轴圆柱电容探头内电极上壳体5、同轴圆柱电容探头内电极下壳体6、第二环形密封圈7、压力敏感器件8、压力变送器9、电缆10、导气管11、温度传感器12、第三环形密封圈13、第四环形密封圈14、同轴圆柱电容探头外电极顶盖15和聚四氟乙烯涂层19组成，其中同轴圆柱电容探头内电极上壳体5和同轴圆柱电容探头内电极下壳体6构成同轴圆柱电容探头内电极，同轴圆柱电容探头外电极1和同轴圆柱电容探头内电极为同轴圆柱形状，均采用不锈钢材质，同轴圆柱电容探头外电极1上均匀开有两个直槽口16，便于动态乳化液浓度的测量，同轴圆柱电容探头外电极1的内壁位于直槽口16上方带有环状卡台20，同轴圆柱电容探头内电极顶部2与环状卡台20之间由第二环形密封圈7隔开，将环氧树脂3浇注在同轴圆柱电容探头内电极顶部2与同轴圆柱电容探头外电极1之间的缝隙处，以固定同轴圆柱电容探头内电极，同轴圆柱电容探头内电极上壳体5和同轴圆柱电容探头内电极下壳体6采用螺纹连接方式连接在一起，压力敏感器件8通过第三环形密封圈13和第四环形密封圈14卡在同轴圆柱电容探头内电极上壳体5和同轴圆柱电容探头内电极下壳体6之间，并与同轴圆柱电容探头内电极下壳体6形成压力腔17，同轴圆柱电容探头内电极下壳体6四周均匀对称开四个导流孔18，以便乳化液能够顺畅地进入压力腔17而对压力敏感器件8形成压力，可变电容21的一个极为同轴圆柱电容探头外电极1，另一个极为同轴圆柱电容探头内电极，为了防止两个电极之间测量液体时短路，在同轴圆柱电容探头内电极上壳体5外表面、同轴圆柱电容探头内电极下壳体6外表面、压力腔17四周和导流孔18内壁均涂有一层聚四氟乙烯涂层19作为同轴圆柱电容探头内外电极之间的绝缘介质，因此可变电容21两极之间的介质为聚四氟乙烯涂层19和乳化液，当乳化液浓度发生变化时，乳化液的相对介电常数会随之变化，从而导致可变电容21的电容值变化，所以通过测量可变电容21的电容值即可实现乳化液浓度的精确测量；压差式液位传感器由感应和变送两部分组成，感应部分使用一个压力敏感器件8，压力敏感器件8是利用单晶硅的压阻效应原理制成的，采用微电子工艺在弹性膜片上形成4个应变电阻，组成一个惠斯通电桥，当单晶硅弹性膜片上受到压力作用时会输出一个与被测压力成一定比例关系的毫伏级模拟电压信号，压力敏感器件8和压力变送器9连接在一起，压力变送器9安装在同轴圆柱电容探头内电极顶部2的上面，将电缆10插入同轴圆柱电容探头外电极顶盖15中心孔并用密封胶固定，电缆10选用专用带有导气管的六芯绝缘电缆，其长度由待测液位深度确定，电缆10最外层为聚氯乙烯层，最里边为六芯导线和导气管11，导气管11可以使压力敏感器件8背压直通大气，电缆10中的其中二芯导线和可变电容21的两个电极连接，另外二芯导线和压力变送器9连接，其余二芯导线和温度传感器12连接，温度传感器12紧贴在压力敏感器件8上，第一环形密封圈4、第二环形密封圈7、第三环形密封圈13和第四环形密封圈14均选用橡胶密封圈，保证同轴圆柱电容探头外电极顶盖15、同轴圆柱电容探头外电极1、同轴圆柱电容探头内电极顶部2、同轴圆柱电容探头内电极上壳体5和同轴圆柱电容探头内电极下壳体6组装固定后，依靠密封作用，乳化液不会在压力的作用下渗入同轴圆柱电容探头内电极上壳体5与压力敏感器件8形成的空腔；所述电路部分由单片机30、电容电压转换电路22、第一低通滤波电路23、第一A/D转换电路24、第二低通滤波电路25、第二A/D转换电路26、温度电阻转换电路27、温度变送电路28及第三A/D转换电路29组成，其中可变电容21、电容电压转换电路22、第一低通滤波电路23和第一A/D转换电路24组成电容信号测量系统，可变电容21的电容信号，经电容电压转换电路22转换成电压信号，送至第一低通滤波电路23进行滤波处理，通过第一A/D转换电路24转换成数字信号送至单片机30，由单片机30通过计算得出乳化液的浓度；压力敏感器件8、压力变送器9、第二低通滤波电路25和第二A/D转换电路26组成压差信号测量系统，压力敏感器件8输出mV级模拟信号，经压力变送器9放大至V级模拟信号，送至第二低通滤波电路25进行滤波处理，再由第二A/D转换电路26转换成数字信号送至单片机30，由单片机30通过计算得出乳化液的液位；温度传感器12、温度电阻转换电路27、温度变送电路28和第三A/D转换电路29组成乳化液温度测量系统，温度传感器12的温度信号经温度电阻转换电路27输出电阻信号，经温度变送电路28放大处理，送至第三A/D转换电路29换成数字信号送至单片机30，测量出乳化液温度。
本发明一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置的优点在于：
1、将传感器设计成根据电容信号、压差信号与温度信号三种信号分别测量乳化液浓度、液位与温度的三重功能一体化。
2、广泛适用于对乳化液浓度、液位与温度测量有严格要求的各种重要场合，
3、具有可靠性高、结构紧凑、安装方便等优点。
附图说明
图1乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置结构示意图
1.同轴圆柱电容探头外电极2.同轴圆柱电容探头内电极顶部3.环氧树脂4.第一环形密封圈5.同轴圆柱电容探头内电极上壳体6.同轴圆柱电容探头内电极下壳体7.第二环形密封圈8.压力敏感器件9.压力变送器10.电缆11.导气管12.温度传感器13.第三环形密封圈14.第四环形密封圈15.同轴圆柱电容探头外电极顶盖16.直槽口17.压力腔18.导流孔19.聚四氟乙烯涂层20.环状卡台
图2乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置测量原理图
21.可变电容22.电容电压转换电路23.第一低通滤波电路24.第一A/D转换电路25.第二低通滤波电路26.第二A/D转换电路27.温度电阻转换电路28.温度变送电路29.第三A/D转换电路30.单片机。
具体实施方案
实施方式1：
下面结合附图1和附图2进一步说明采用本发明一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置在乳化液自动配比装置对所配制的乳化液箱中的乳化液浓度、液位与温度进行在线监测和实时监控中的应用，以及本发明测量的工作原理。
按照附图1将同轴圆柱电容探头外电极1、同轴圆柱电容探头外电极顶盖15、第一环形密封圈4、同轴圆柱电容探头内电极顶部2、同轴圆柱电容探头内电极上壳体5、同轴圆柱电容探头内电极下壳体6、压力敏感器件8、压力变送器9、电缆10、温度传感器12、第二环形密封圈7、第三环形密封圈13和第四环形密封圈14组成一体化传感器，在同轴圆柱电容探头外电极1和同轴圆柱电容探头内电极顶部2之间浇注环氧树脂3以防止乳化液在压力的作用下渗入同轴圆柱电容探头内电极上壳体5与压力敏感器件8所构成的空腔，同时须保证导气管11与大气畅通，可变电容21的一个电极为同轴圆柱电容探头外电极1，另一个电极为由同轴圆柱电容探头内电极上壳体5和同轴圆柱电容探头内电极下壳体6构成的同轴圆柱电容探头内电极，同轴圆柱电容探头内电极上壳体5外表面、同轴圆柱电容探头内电极下壳体6外表面、压力腔17四周和导流孔18内壁均涂有一层聚四氟乙烯涂层19作为同轴圆柱电容探头内外电极之间的绝缘介质，防止可变电容21两个电极之间短路。
按照附图2将可变电容21与电容电压转换电路22连接，将与压力敏感器件8连接的压力变送器9与第二低通滤波电路25连接，将温度传感器12与温度电阻转换电路27连接。通过乳化液的等效介电常数ε作为中间变量建立的乳化液浓度和电容值之间的关系：C=f(ε)，ε=g(εo，εw，α)，式中,εo是纯乳化油的介电常数，εw是纯水的介电常数，α是乳化液浓度，可得乳化液浓度α=g-1[εo，εw，f-1(C)]，将乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置投入到乳化液箱底，压力敏感器件8受到压力为：p=ρ·g·h+p0，式中p为压力敏感器件迎液面所受到压力，ρ为乳化液密度，g为当地重力加速度，p0为液面上大气压，h为乳化液液位，由于导气管11将乳化液液面上的大气压p0引至同轴圆柱电容探头内电极上壳体5与压力敏感器件8所构成的空腔抵消了压力敏感器件8所受压力中的p0，使得压差传感器测得的压力为，因此，通过压差传感器测得的压力即可得到与之成正比的乳化液的液位h。
1.标定过程：
组装完成后，将一体化传感器放在空气中，对空气进行标定，完成后将一体化传感器探头浸没在纯水中，对纯水进行标定，两次的标定结果都由单片机30采集并存于单片机30中，标定的作用是消除系统开始的零点漂移和便于计算纯乳化油的介电常数εo以及乳化液的等效介电常数ε，将一体化传感器探头浸没在纯乳化油中，标定得到纯乳化油的介电常数εo存于单片机30中。然后将一体化传感器沉入乳化液箱底部，将传感器底部朝下保持直立，电缆10拉直固定，首先调零校准，让乳化液箱进少量乳化液淹没一体化传感器头部，通电后压差信号测量系统的第二A/D转换电路26输出一个电压值，由单片机30采集并存入单片机30，乳化液箱储满乳化液时，压差信号测量系统的第二A/D转换电路26输出另一个电压值，由单片机30采集并存入单片机30。校验过程结束。
2.测量过程：
一体化传感器测量装置探头沉入乳化液箱底部，将传感器底部朝下保持直立，电缆10拉直固定，电缆10的长度根据待测液位高度确定，乳化液流入同轴圆柱电容探头的空腔体与同轴圆柱电容探头外电极1及聚四氟乙烯涂层19接触，乳化液的相对介电常数随着乳化液的浓度而变化，相对介电常数的变化就导致可变电容21的电容值变化，单片机采回可变电容21的电容值C，由乳化液的等效介电常数ε作为中间变量建立的乳化液浓度和电容值C之间的关系可得乳化液浓度α=g-1[εo，εw，f-1(C)]，乳化液箱底部的压力敏感器件8受到乳化液的压力，输出mV级模拟信号，经压力变送器9放大至V级模拟信号，送至第二低通滤波电路25进行滤波处理，再由第二A/D转换电路26换成数字信号送至单片机30处理得到乳化液液位值，温度传感器12的温度信号经温度电阻转换电路27输出电阻信号，经温度变送电路28放大处理，送至第三A/D转换电路29转换成数字信号送至单片机30处理得到乳化液温度值，并根据所测温度补偿温度对乳化液浓度测量结果造成的偏差。
Claims (1)
1.一种乳化液浓度、液位与温度一体化测量装置，其特征在于是一种将传感器设计成根据电容信号、压差信号与温度信号三种信号分别测量乳化液浓度、液位与温度的三重功能一体化结构的测量装置，其整套装置由传感器和电路两部分组成，所述的传感器部分由同轴圆柱电容探头外电极（1）、同轴圆柱电容探头内电极顶部（2）、环氧树脂（3）、第一环形密封圈（4）、同轴圆柱电容探头内电极上壳体（5）、同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）、第二环形密封圈（7）、压力敏感器件（8）、压力变送器（9）、电缆（10）、导气管（11）、温度传感器（12）、第三环形密封圈（13）、第四环形密封圈（14）、同轴圆柱电容探头外电极顶盖（15）和聚四氟乙烯涂层（19）组成，其中同轴圆柱电容探头内电极上壳体（5）和同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）构成同轴圆柱电容探头内电极，同轴圆柱电容探头外电极（1）和同轴圆柱电容探头内电极为同轴圆柱形状，均采用不锈钢材质，同轴圆柱电容探头外电极（1）上均匀开有两个直槽口（16），同轴圆柱电容探头外电极（1）的内壁位于直槽口（16）上方带有环状卡台（20），同轴圆柱电容探头内电极顶部（2）与环状卡台（20）之间由第二环形密封圈（7）隔开，将环氧树脂（3）浇注在同轴圆柱电容探头内电极顶部（2）与同轴圆柱电容探头外电极（1）之间的缝隙处，同轴圆柱电容探头内电极上壳体（5）和同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）采用螺纹连接方式连接在一起，压力敏感器件（8）通过第三环形密封圈（13）和第四环形密封圈（14）卡在同轴圆柱电容探头内电极上壳体（5）和同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）之间，并与同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）形成压力腔（17），同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）四周均匀对称开四个导流孔（18），以便乳化液能够顺畅地进入压力腔（17）而对压力敏感器件（8）形成压力，可变电容（21）的一个极为同轴圆柱电容探头外电极（1），另一个极为同轴圆柱电容探头内电极，在同轴圆柱电容探头内电极上壳体（5）外表面、同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）外表面、压力腔（17）四周和导流孔（18）内壁均涂有一层聚四氟乙烯涂层（19）作为同轴圆柱电容探头内外电极之间的绝缘介质，因此可变电容（21）两极之间的介质为聚四氟乙烯涂层（19）和乳化液，当乳化液浓度发生变化时，乳化液的相对介电常数会随之变化，从而导致可变电容（21）的电容值变化；压差式液位传感器由感应和变送两部分组成，感应部分使用一个压力敏感器件（8），压力敏感器件（8）和压力变送器（9）连接在一起，压力变送器（9）安装在同轴圆柱电容探头内电极顶部（2）的上面，将电缆（10）插入同轴圆柱电容探头外电极顶盖（15）中心孔并用密封胶固定，电缆（10）选用专用带有导气管的六芯绝缘电缆，其长度由待测液位深度确定，电缆（10）最外层为聚氯乙烯层，最里边为六芯导线和导气管（11），导气管（11）可以使得压力敏感器件（8）背压直通大气，电缆（10）的其中二芯导线和可变电容（21）的两个电极连接，另外二芯导线和压力变送器（9）连接，其余二芯导线和温度传感器（12）连接，温度传感器（12）紧贴在压力敏感器件（8）上，第一环形密封圈（4）、第二环形密封圈（7）、第三环形密封圈（13）和第四环形密封圈（14）均选用橡胶密封圈，保证同轴圆柱电容探头外电极顶盖（15）、同轴圆柱电容探头外电极（1）、同轴圆柱电容探头内电极顶部（2）、同轴圆柱电容探头内电极上壳体（5）和同轴圆柱电容探头内电极下壳体（6）组装固定后，依靠密封作用，乳化液不会在压力的作用下渗入同轴圆柱电容探头内电极上壳体（5）与压力敏感器件（8）形成的空腔；所述电路部分由单片机（30）、电容电压转换电路（22）、第一低通滤波电路（23）、第一A/D转换电路（24）、第二低通滤波电路（25）、第二A/D转换电路（26）、温度电阻转换电路（27）、温度变送电路（28）及第三A/D转换电路（29）组成，其中可变电容（21）、电容电压转换电路（22）、第一低通滤波电路（23）和第一A/D转换电路（24）组成电容信号测量系统，可变电容（21）的电容信号，经电容电压转换电路（22）转换成电压信号，送至第一低通滤波电路（23）进行滤波处理，通过第一A/D转换电路（24）转换成数字信号送至单片机（30），由单片机（30）通过计算得出乳化液的浓度；压力敏感器件（8）、压力变送器（9）、第二低通滤波电路（25）和第二A/D转换电路（26）组成压差信号测量系统，利用单晶硅压阻效应原理的压力敏感器件（8）输出mV级模拟信号，经压力变送器（9）放大至V级模拟信号，送至第二低通滤波电路（25）进行滤波处理，再由第二A/D转换电路（26）换成数字信号送至单片机（30），由单片机（30）通过计算得出乳化液的液位；温度传感器（12）、温度电阻转换电路（27）、温度变送电路（28）和第三A/D转换电路（29）组成乳化液温度测量系统，温度传感器（12）的温度信号经温度电阻转换电路（27）输出电阻信号，经温度变送电路（28）放大处理，送至第三A/D转换电路（29）转换成数字信号送至单片机（30），测量出乳化液温度。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |