CN105403483B - 压差溶液密度测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种压差溶液密度测量装置包括第一浮子(1)和第二浮子(2)，两个浮子之间接触地固设一压电陶瓷(3)，两个浮子之一内设与压电陶瓷电连接的信号处理电路和发射装置(4)，用于接收和处理压电陶瓷的检测信号并向外发射检测信号。第一浮子和第二浮子在沿浸入液体的垂直方向上的截面面积成规律变化并且两者的变化面积互补。还提供了相应的测量方法。当两个浮子浸入不同密度的液体时，它们的浮力改变不同，使压电陶瓷受压力改变得到输出电量改变，通过信号处理电路和发射装置获得溶液密度。用于各种溶液密度的取样和在线检测，检测精度高，结构简单，尤其适用于不便于取样、危险地点的溶液浓度在线监测或遥测，被检测溶液与检测信号不直接接触，避免了腐蚀、电化学腐蚀。

Description

压差溶液密度测量装置
技术领域
本发明涉及一种溶液密度(或浓度)的连续检测、显示或传送信号的智能化装置，具体是一种压差溶液密度测量装置，用于精确测定溶液密度。本发明还涉及一种利用该压差溶液密度测量装置来测量溶液密度的测量方法。
背景技术
在化工、酒类等行业生产以及环境监测、设备正常运行等应用中，需要检查、监测溶液的密度或浓度，其检测方式有取样法、在线法两种。目前，取样法有比重计法和化验分析法，虽然准确，但麻烦费时。在线法有超声波、远红外、电感、电导法等。中国实用新型专利CN200920067484采用浮子使拉力变化，通过传感器获得密度相关信号，实用新型专利CN201320331367通过气压传感器检测到的压强变化，以及实用新型专利CN200920162897通过线缆上的多个压力传感器获得的压力差得到溶液密度。这些方式虽然方便快捷，但是大多结构复杂，安装及使用场所限制较大，尤其是在溶液液位有较大变化的时候，其安装、制作成本增加，精度难以保证，环境温度也将直接影响其测量精度。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种压差溶液密度测量装置及其测量方法，适用于各种溶液密度的取样、在线检测等，检测精度高，结构简单，尤其适用于不便于取样、危险地点的溶液浓度在线检测、监测或遥测。
本发明的具体技术方案如下：
一种压差溶液密度测量装置，包括第一浮子和第二浮子，其特征在于：所述第一浮子与第二浮子之间可接触地固设有压电陶瓷，在所述第一浮子和第二浮子其中之一内设有信号处理电路和发射装置，该信号处理电路和发射装置与所述压电陶瓷电连接，用于接收和处理所述压电陶瓷的检测信号并向外发射检测信号。
进一步地，所述第一浮子和第二浮子在沿浸入液体的垂直方向上的截面面积成规律变化，并且两者的变化面积互补。
进一步地，所述第一浮子和第二浮子为能够浮在液体表面的锥体、梯形条或圆柱体。
进一步地，所述第一浮子是内腔横截面为梯形的梯形条，所述第二浮子是横截面为梯形的梯形条，所述第二浮子被容置在所述第一浮子的内腔中。
进一步地，所述第一浮子的上端安装一固定板，所述压电陶瓷固设在该固定板与所述第二浮子之间。
进一步地，所述第二浮子的下端悬挂一重物。
本发明提供一种利用上述压差溶液密度测量装置测量溶液密度的测量方法，包括如下步骤：
(1)所述第一浮子和所述第二浮子为梯形条，设梯形条的长度为B，夹角均为α，所述第一浮子和所述第二浮子的质量分别为W1和W2，两个梯形条的下底宽分别为L1和L2，则总质量W＝W1+W2，沿任意纵向的截面积S＝B(2L1+L2)，则W、S为常量。
(2)检测在待测溶液密度为ρ0的溶液中第一浮子与第二浮子间形成的压力差ΔF0，则该待测溶液密度ρ0与已知几何体参数之间的关系为：
根据上式即可获得待测溶液密度ρ0。
本发明再提供一种利用上述压差溶液密度测量装置测量溶液密度的测量方法，包括如下步骤：
(1)所述第一浮子和所述第二浮子为梯形条，设梯形条的长度为B，夹角均为α，所述第一浮子和所述第二浮子的质量分别为W1和W2，两个梯形条的下底宽分别为L1和L2，则总质量W＝W1+W2，沿任意纵向的截面积S＝B(2L1+L2)，则W、S为常量。
(2)通过已知溶液密度ρ0，标定出所述第一浮子与第二浮子间的标定压力差ΔF0，再测量溶液密度改变为ρ时第一浮子与第二浮子间的压力差ΔF，则待测溶液密度ρ与所述标定压力差ΔF0、已知溶液密度ρ0和已知几何体参数之间的关系为：
根据上式即可获得待测溶液密度ρ。
本发明还提供另一种利用上述压差溶液密度测量装置测量溶液密度的测量方法，包括如下步骤：
(1)分别检测在两种已知溶液密度ρ1、ρ0的溶液中所述第一浮子与第二浮子间的压力差ΔF1、ΔF0；
(2)检测在待测溶液密度ρ的溶液中所述第一浮子和第二浮子间的压力差ΔF；
(3)根据获得待测溶液密度ρ。
可见，本发明提供的压差溶液密度测量装置及其测量方法，当不同浮子浸入不同密度的液体中时，因浮力的改变，使得压电陶瓷的输出电量改变，通过信号处理电路转换成溶液密度或浓度，由发射装置发射给接收装置，并由显示装置直接显示溶液密度或浓度。
本发明适用于各种溶液密度的取样和在线检测，检测精度高，结构简单，尤其适用于不便于取样、危险地点的溶液浓度的在线检测、监测或遥测，被检测溶液与检测信号不直接接触，避免了腐蚀、电化学腐蚀等。
附图说明
图1为本发明压差溶液密度测量装置的工作原理示意图；
图2为本发明压差溶液密度测量装置的测量原理示意图；
图3为本发明压差溶液密度测量装置的改进结构的示意图。
图中：1-第一浮子，2-第二浮子，3-压电陶瓷，4-信号处理电路和发射装置，5-溶液。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述和说明。
图1为本发明的压差溶液密度测量装置的工作原理示意图。如图1所示，该压差溶液密度测量装置包括第一浮子1、第二浮子2、压电陶瓷3和信号处理电路和发射装置4。其中，第二浮子2设置在第一浮子1的中空内腔中，压电陶瓷3通过粘接方式可接触地设在第二浮子2与第一浮子1之间，通过压电陶瓷3相对固定了两个浮子的相互间位置。信号处理电路和发射装置4设置在第一浮子1或第二浮子2的其中一个浮子内，并且与压电陶瓷3相互电连接，该信号处理电路和发射装置4用于接收和处理压电陶瓷3的检测信号并向所述压差溶液密度测量装置外部的接收装置发射检测信号。整个压差溶液密度测量装置被放置在溶液5中。
第一浮子1、第二浮子2均为能够浮在液体表面的锥体或梯形条，可以采用金属材料(如铝材)制造成空心体，以增加浮力。优选地，第一浮子1为没有底面的空心体。
下面结合图2，对本发明压差溶液密度测量装置的测量原理和测量方法进行说明。
如图2所示，第一浮子1和第二浮子2在沿浸入液体的垂直方向上的截面面积成规律变化，并且第一浮子1与第二浮子2的变化面积互补。
作为一种具体示例，为简化描述，设第一浮子1是内腔横截面为梯形的梯形条，第二浮子2是横截面为梯形的梯形条，第二浮子2被容置在第一浮子1的梯形内腔中。如图2所示，设梯形条的长度为B，夹角均为α，设第一浮子1和第二浮子2的质量分别为W1和W2，梯形条的下底宽分别为L1和L2，则第一浮子1和第二浮子2的总质量W＝W1+W2，沿任意纵向的总截面积为S＝B(2L1+L2)，显然W、S为常量。
随着沉于液体中的深度发生变化，第一浮子1与第二浮子2所增加与所减小的体积相等，设标定溶液密度为ρ0，第一浮子1和第二浮子2的初始吃水深为h0，则：
此时，第二浮子2的受力平衡为：
式(2)中，ΔF0为第一浮子1、第二浮子2在密度为ρ0的溶液中所形成的压力差。
当溶液密度为ρ1时：
式(3)中，ΔF1为第一浮子1、第二浮子2在密度为ρ1的溶液中所形成的压力差。
本发明的检测方法之一是：检测在密度为ρ0的待测溶液中第一浮子1、第二浮子2间形成的压力差ΔF0，则该待测溶液密度ρ0与已知几何体参数之间的关系为：
所以，
根据上式(5)，即可获得待测溶液密度ρ0。可见，两个浮子的质量W和W2、截面积S等几何参数的搭配直接影响着检测精度。
本发明的检测方法之二是：通过已知溶液密度(即“标定溶液密度”)ρ0，标定出第一浮子1与第二浮子2间的标定压力差ΔF0，再测量溶液密度改变为ρ时第一浮子1与第二浮子2之间的压力差ΔF，则待测溶液密度ρ与标定压力差ΔF0、已知溶液密度ρ0和已知几何体参数之间的关系为：
根据上式(6)，即可获得待测溶液密度ρ。
上式(6)中，常量可以根据检测两种已知溶液密度ρ1、ρ0下，第一浮子1与第二浮子2之间的压力差ΔF1、ΔF0得到：
本发明的检测方法至少有2个浮子，其截面形状不限于锥体或梯形条，可以是其他截面形状，比如圆柱体，通过浮于液面的浮子在不同溶液密度下浮力的变化的比较来获得待测溶液的密度。
图3为本发明压差溶液密度测量装置的进一步的改进结构。
如图3所示，第一浮子1、第二浮子2采用金属材料(如铝材)制造成圆锥空心体，在第一浮子1的上端安装一固定板，采用粘接方式将压电陶瓷3固设在该固定板与第二浮子2之间，通过压电陶瓷3将第一浮子1与第二浮子2固定成为一体，并将压电陶瓷3的检测信号引入安装在第一浮子1内部的信号处理电路和发射装置4。当然，在这里，信号处理电路和发射装置4也可以安装在第二浮子2的内部。另外，为了确保测试方向，还可以在第二浮子2的下端悬挂一合适的重物。工作时，将整体放于溶液5中即可。
为了提高测量精度，本发明可以设置多个具有不同的质量与截面积比的浮子，用以相互修正。
本发明可以根据单一物质或已知多种物质的密度转换成相应物质的百分比含量或浓度。
虽然已经对本发明的优选实施例进行了详细的描述和说明，但是本发明并不局限于此。应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神和原理的条件下进行多种修改和变化，而不脱离其由权利要求书所限定的本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种压差溶液密度测量装置，包括第一浮子(1)和第二浮子(2)，其特征在于：所述第二浮子(2)被容置在所述第一浮子(1)的内腔中，所述第一浮子(1)与第二浮子(2)之间接触地固设有压电陶瓷(3)，在所述第一浮子(1)和第二浮子(2)其中之一内设有信号处理电路和发射装置(4)，该信号处理电路和发射装置(4)与所述压电陶瓷(3)电连接，用于接收和处理所述压电陶瓷(3)的检测信号并向外发射检测信号。
2.根据权利要求1所述的压差溶液密度测量装置，其特征在于：所述第一浮子(1)和第二浮子(2)在沿浸入液体的垂直方向上的截面面积成规律变化，并且两者的变化面积互补。
3.根据权利要求2所述的压差溶液密度测量装置，其特征在于：所述第一浮子(1)和第二浮子(2)为能够浮在液体表面的锥体、梯形条或圆柱体。
4.根据权利要求3所述的压差溶液密度测量装置，其特征在于：所述第一浮子(1)是内腔横截面为梯形的梯形条，所述第二浮子(2)是横截面为梯形的梯形条。
5.根据权利要求1-4任一项所述的压差溶液密度测量装置，其特征在于：所述第一浮子(1)的上端安装一固定板，所述压电陶瓷(3)固设在该固定板与所述第二浮子(2)之间。
6.根据权利要求5所述的压差溶液密度测量装置，其特征在于：所述第二浮子(2)的下端悬挂一重物。
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