CN104568655A - 一种液体浓度自动测量方法 - Google Patents

Abstract

一种液体浓度的自动检测方法,涉及一种自动检测液体浓度的方法。提供结构简单，维修简单、适应性强，对工作环境要求低，且具有高精确度和准确度，适用于多种溶液的浓度自动检测。包括：单片机，摄像头、浮力计、温度传感器、电磁阀、采样泵，测量软件以及液晶显示屏。所述单片机与摄像头、温度传感器、液晶显示屏、电磁阀连接。摄像头与单片机连接，用于对浮力计图像信号的采集；温度传感器与单片机输入端连接，用于实时的检测液体的温度；电磁阀与单片机连接，用于切换要检测的液料或是清洗的清水；采样泵与单片连接，用于把液体泵进样品池。单片机摄像头采集浮力计的图像，通过计算浮力计在图像中的位置获得溶液的浓度信息，同时采集溶液的温度，对浓度进行温度校正，把结果通过液晶显示屏显示出来。达到自动测量和在线检测的目的。

Description

一种液体浓度自动测量方法

技术领域

本发明涉及一种液体浓度的自动测量系统，尤其是液体浓度的连续在线检测方法和装置。

背景技术

在工、农业业生产过程中，存在大量的液体状态的原料、中间产物以及成品。控制液体的浓度在生产过程中至关重要。在当前生产中很多时候还是采用间歇取样的方法来做浓度测定。目前市场上也存在不少浓度在线测量产品，其原理有超声波、射线、光学、压力等方法，但是这些普遍存在精度不够高、重复性不够好等缺点，其主要原因是传感器的采集精度不够，而且容易受环境和液体本身流动影响。在浓度测定的方法中，比重法是被广泛采用的，这一方法的原理是利用液体的浮力来测量液体浓度，液体的浓度越大，其比重也越大，利用比重计可以很方便的 测量出液体的比重。原理是：比重计的重量的固定的，液体的比重也大，所需要得到浮力而排出的体积也就越小，比重计浮起来的部分也就越大，因而从比重计浮出液面的部分就可以很直观的判断液体的比重，从而可以计算出液体的浓度。比重计还可以利用排出的单位体积的不同，计出不同精度的产品，其精度之高是目前绝大部分在线浓度测量产品远远不能媲美的。但是目前的浮力比重计都是要求间隙性和手工测量的，不能满足生产的实时性要求。

发明内容

本发明的目的把通过图像识别技术和浮力比重计测量技术结合起来，构建一种新型的利用图像处理技术来测量液体浓度的方法，提供一套可以自动在线测量液体浓度的系统来解决以上背景技术部分提到的目前在线浓度测量技术存在的精度不高、长期重现性差和间隙性测量带来的问题。

为达到此目的，本发明包括：

      液体采样装置； 

      浮力比重计，置于液体中，其浮起的部分高度与液体比重也就是浓度成正比；可用市   售的玻璃比重计；

      摄像头，把比重计的图像采集送到图像处理装置；

      图像处理装置，通过比重计的图像来计算对应的液体比重得到液体的浓度。

特别地，所述方案还包括：

     清洗系统和对清水进行测量，并根据结果对系统误差进行校正。

本发明还公开了一种应用上述浓度检测方法的液体浓度检测装置，包括：单片机，摄像头、浮力计、温度传感器、电磁阀、采样泵，测量软件以及液晶显示屏：

     所述单片机与摄像头、温度传感器、液晶显示屏、电磁阀连接。摄像头采集到的浮力计图像信息经过单片机处理，计算出溶液的浓度值并同时采集当前的温度值，对温度进行校正，输出给液晶显示屏显示；

     所述的摄像头与单片机连接，用于对浮力计图像信号的采集；

      所述的温度传感器与单片机输入端连接，用于实时的检测液体的温度；

      所述的电磁阀与单片机连接，用于切换要检测的液料或是清洗的清水；

      所述的采样泵与单片连接，用于把液体泵进样品池。

用本发明提出的液体浓度检测方法及装置具有以下优点: 一、通用性强。只要是液体都可以使用，只用把浮力计放入液体中，利用摄像头采集浮力计的图像信号，通过计算就能得到液体的浓度。二、精度高，可以用不同精度的浮力计来获得所需要的精度，大大高于现有的在线浓度测量产品的精度 。三、成本低，浮力计的成本很低，通过图像获取计算浓度与传统的浓度在线检测装置比，本发明的结构简单，成本低。四、可靠性高，不需要经常校对。传统的在线测量产品因为电路原因或是测试探头受污染和器件寿命原因而导致数据易漂移，本发明利用成本极低的浮力计作为探测装置，利用摄像头作为非接触式的传感器件，每次清洗时可自动校对，整个主要机构独立于测试液体，浮力计清洗容易，因此可靠性可以大大提高。

附图说明

图1为本发明实例提供的一种液体浓度自动测量方法的检测原理图。

      图2为本发明实施例提供的利用图像处理计算液体浓度的原理图。

具体实施方式

     下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解析本发明，而并非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅显示了与本发明相关的部分而非全部内容。

     本实施例中液体浓度自动检测方法具体包括如下步骤：

       A．选择所需要精度的浮力计2；

        B．配比 在浮力计量程范围的两个浓度溶液，使其中一个接近最大值、另一个接近最小值，利用摄像头分别获取这两种情况下浮力计标示线在图像中的位置，同时记录此时的溶液浓度，通过计算此两次位置与浓度之间的关系，获得浓度与浮力计标识线在图像中位置的关系式。

        C．得到公式以后，只要把要测量浓度的液体泵进样品池，利用摄像头采集到浮力计的图像数据即可算出液体的浓度；

       D．通过温度传感器得到当时的温度数值就可以对浓度进行温度补偿；把校正后的数据通过液晶显示屏显示出来，就实现了自动浓度测量以及在线测量的目的；

      E．长时间运行后，须对仪器进行校正时，可以通过电磁阀把清水泵近来对零点进行校正。

请参照图1所示，本实施例中应用上述液体自动检测方法的装置包括：浮力计2，样品池3，摄像头4，单片机5，液晶显示屏6，采样泵7、温度传感器8、电磁阀9、连接取样管10，连接清洗管11。

     所述单片机5与摄像头4、温度传感器8、液晶显示屏6、电磁阀9连接。摄像头4采集到的浮力计2图像信息经过单片机5处理，计算出溶液1的浓度值并同时利用温度传感器8采集当前的溶液温度值，对温度进行校正后输出给液晶显示屏6显示；

     所述的摄像头4与单片机5连接，用于对浮力计2图像信号的采集；

     所述的温度传感器8与单片机4输入端连接，用于实时的检测液体1的温度；

     所述的电磁阀9与单片机4连接，用于切换要检测的液料或是清洗的清水；

    所述的采样泵7与单片5连接，用于把液体送进样品池3。

    单片机5的工作过程如下：首次测量某种液体时，首先要在不同浓度的条件下通过实际测量得出浮力计2标识线在图像中位置与浓度的关系式。非首次测量某一种液体时，系统开始运行时，读取浮力计2 标识线在图像中位置与浓度的关系式，通过摄像头4采集图像，计算浮力计2标示线在图像中的位置，利用关系式计算浓度，通过温度传感器8采集液体1的温度，并利用存储的温度与浓度校正公式计算出温度校正后的浓度，通过液晶显示器显示出来。

    下面对本发明实验液体浓度自动测量的原理进行详细说明:

 本发明的本质其实就是通过计算机来识别浮力计浮起来的高度来计算液体的浓度,利用机器来代替人眼读数。以达到自动和在线不间断测量的目的。

 浮力计测量的原理是利应其排开液体的重量与本身重量相等， 方程式如下：

      方程式:

   F=ρgV-----------------------------（1）

上式中，F为浮力计的重量，ρ为液体的密度也对应着液体的浓度，V为排开的液体的体积。由此可知，当液体浓度增大时，即密度增大时，需要排开的体积V，就相应变小，体现在浮力计浮出液面的部分增大，从而使得浮力计上浮，其上的标线随之升高。当液体浓度变化时，其方程式表现如下：

F=（ρ+Δρ）g（V+ΔV）----------------（2）

有（1）（2）以上两公式得：

ρgV=（ρ+Δρ）g（V+ΔV）

ρV=ρV + ΔρV +ρΔV+ Δρ* ΔV

ΔρV +ρΔV+ Δρ* ΔV=0

对于密度变化很小时，可以认为:

Δρ* ΔV 远小于ΔρV和ρΔV，因此可以忽略，上式变为：

ΔρV +ρΔV=0

ΔρV=ρΔV

Δρ/ρ=-ΔV/V-------------------------（3）

由上述公式可以得到，溶液的密度变化与排出的体积变化成负相关，当液体密度增大时，排出的体积减少，减少的程度与浮力计本身的体积相关，变化同样的浓度时原来的体积越大，减少的体积也就越大，这就意味着可以上升的高度越高，这就是容易获得高精度浮力计的原理。浮出的 高度越高，在同等的摄像头图像分辨率上，获得的精度也就越高，因此可以很容易的获得高精度的自动在线测量精度，这是传统的在线浓度计所不能及的。

 图2是利用浮力计2的标示线13计算液体浓度的原理图，

    假设在浓度低ρ₀时，摄像头采集的图像中浮力计2的标识线处13于图像X₀的位置上，在浓度高ρ₁时，摄像头采集的图像中浮力计的标识线处于图像X₁的位置上，

则可以得到浓度ρ与图像的位置x的关系：

ρ=ρ₀ +（ρ₁-ρ₀）/（X₁-X₀）*（X- X₀）---------------（4）

  通过式摄像头采集浮力计2的图像利用（4）可以计算出当前液体的浓度，并根据温度传感器8采集到的温度数据进行温度校正，并把结果显示在液晶显示屏6上。

  本发明的技术方案通过摄像头采集浮力计的图像，利用单片机进行数据处理和计算，并对温度变化进行补偿，通过液晶显示屏将液体浓度数据进行显示。本发明实现了液体浓度的自动在线检测，具有普遍的适用范围，测量迅速准确，且具有很高的精度，具有极大的经济效益和社会效益。

  注意，上述仅为本发明的较佳实施实例以及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅限于以上实施例，在不脱离本发明的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明由所附的权利要求范围决定。  

Claims (5)

1.一种液体浓度的自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

在不同浓度时利用摄像头对样品池中的浮力计进行图像采集，通过处理得到浮力计标示线在图像中的不同位置，通过计算获得浮力计标示线在图像位置与液体浓度的对应关系；

获取被测液体的实时温度值及浮力计标示线在采集图中的位置，并根据步骤A中获得的浮力计标示线在图中位置与液体的浓度的对应关系，计算出被测溶液的浓度值。

2.一种应用权利要求1中所述液体浓度的自动检测方法的装置,其特征在于, 包括：单片机，摄像头、浮力计、温度传感器、电磁阀、采样泵，测量软件以及液晶显示屏：

      所述单片机与摄像头、温度传感器、液晶显示屏、电磁阀连接；

      所述的摄像头与单片机连接，用于对浮力计图像信号的采集；

       所述的温度传感器与单片机输入端连接，用于实时的检测液体的温度；

    所述的摄像头采集到的浮力计图像信息经过单片机处理，计算出溶液的浓度值并同时采集当前的温度值，对温度进行校正，输出给液晶显示屏显示；

      所述的电磁阀与单片机连接，用于切换要检测的液料或是清洗的清水；

       所述的采样泵与单片机连接，用于把液体送进样品池。

3.根据权利要求2所述的液体浓度检测装置，其特征在于，还包括图像数据处理单元，所述处理单元通过采集图像信号，利用浮力计在所采集图像中的位置实时计算液体的浓度。

4. 根据权利2 所述的液体浓度自动检测装置, 其特征在于,还包括电磁阀,所述的电磁阀通过单片机控制可以选择利用采样泵把清水或需测浓度液体泵进样品池。

5.根据权利2 所述的液体浓度自动检测装置,其特征在于,还包括权利4所述的把清水泵进样品池后可以自动进行零点校正。