CN109764927B - 浮子式智能溶液深度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
浮子式智能溶液深度测量装置，包括浮子、连接管、外罩、下固定、电池、数据处理和发射装置；浮子设置在下固定的上方，浮子、下固定分别与连接管连接；浮子、下固定中分别设置有压电陶瓷，压电陶瓷与电池、数据处理和发射装置电连接；数据处理和发射装置用于向外部的接收装置发射测量结果。一种利用该浮子式智能溶液深度测量装置测量溶液深度的方法包括：通过压电陶瓷检测浮子在溶液内的受到的压力和浮力的变化，得到溶液的压强、溶液的浓度，从而获得溶液的深度。本发明适用于不便于取样、危险地点的溶液深度等数据的在线检测、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、电化学腐蚀等缺陷，结构简单，检测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种溶液深度的连续检测、显示或传送信号的智能化装置，具体是浮子式智能溶液深度测量装置及测量方法。本发明还涉及一种利用该浮子式智能溶液深度测量装置来测量溶液深度的测量方法。
背景技术
为监测江河湖海的水位，以及化工等行业生产应用中的液位，目前，广泛应用的测量方法是直接测量、超声波、远红外、电导以及通过安装在液体内的压力传感器转换测量等方式，这些方式虽然方便快捷，但安装及使用场所限制较大，尤其是在溶液浓度有较大变化的时候，精度难以保证。
直接透明管或电导法测量，液位准确，但使用场合受限，且无法获取溶液浓度。超声波、远红外适用于测量液面的高度位置；在线液体深度测量装置，由安装在容器内的液深传感器实现，但仍需预先获得溶液浓度，当溶液浓度变化时，所测量的深度误差较大，也有采用多点布置传感器，但其安装受限。最直观的测量液体深度的装置为安装于容器外面，并与容器底端保持直接连通的透明管。但如果需要测量河流深度等情形，这个方法难以实现测量，也无法远程监控。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供浮子式智能溶液深度测量装置及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，使溶液的深度和浓度数据可同时得到，装置简单、方便快捷且精度提高。
本发明的具体技术方案如下：
浮子式智能溶液深度测量装置，包括至少一个浮子(1)、连接管(2)、外罩(3)、下固定(4)、电池(5)和数据处理和发射装置(6)，其特征在于：
所述浮子(1)设置在下固定(4)的上方，浮子(1)、下固定(4)分别与连接管(2)连接；所述浮子(1)、下固定(4)中分别设置有压电陶瓷，压电陶瓷与所述电池(5)、数据处理和发射装置(6)电连接；所述数据处理和发射装置(6)用于向外部的接收装置发射测量结果。
优选地，所述浮子(1)由上盖(11)、压电陶瓷(12)、上活塞(13)、油缸(15)、连接座(16)、受压活塞(17)及浮子外壳顺序安装构成；所述连接管(2)固接在上盖(11)上；所述液压油(14)充满由上活塞(13)、油缸(15)构成的腔体中，当外部压力使受压活塞(17)移动时，液压油(14)受挤压，驱动上活塞(13)，使压电陶瓷(12)产生电信号。
优选地，所述下固定(4)由连接活塞(41)、固定端盖(42)、下活塞(43)、压电陶瓷、下盖(44)及外壳顺序安装构成；所述连接管(2)固定在连接活塞(41)上；在所述连接活塞(41)、固定端盖(42)和下活塞(43)形成的腔体中充满液压油，当浮子(1)的浮力使连接管(2)带动连接活塞(41)上升时，液压油受挤压，驱动下活塞(43)使压电陶瓷产生电信号。
优选地，所述由连接管(2)连通的浮子(1)和下固定(4)的内部空间充满氮气；所述下固定(4)中设置有温度传感器，温度传感器与所述数据处理和发射装置(6)电连接。
优选地，所述下固定(4)外部设有外罩(3)，防止浮子(1)脱离下固定(4)；所述外罩(3)上端设置有绳索或连接螺钉，用于改变装置在溶液中的位置。
优选地，所述浮子(1)为能够浮在液体表面的密封体；所述下固定(4)为能够使所述浮子式智能溶液深度测量装置沉没入溶液的密封体。
优选地，所述连接活塞(41)与受压活塞(17)滑动连接。
优选地，所述受压活塞(17)的下端直径大于上端直径；所述连接活塞(41)下端直径大于上端直径。
本发明提供一种利用上述浮子式智能溶液深度测量装置测量溶液深度的测量方法，包括如下步骤：
1)测量所述浮子(1)内的压电陶瓷获得的压力，根据浮子(1)相关几何尺寸和内部氮气的压强，获得溶液在当前浓度和深度下的压强p；
2)测量所述下固定(4)内压电陶瓷获得的压力，根据浮子(1)的体积、质量，通过浮力计算获得当前位置溶液的浓度ρ；
3)根据p＝ρgh，获得溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程修正结果。
本发明还提供一种利用上述浮子式智能溶液深度测量装置测量溶液深度的测量方法，包括如下步骤：
1)通过已知浓度和深度的溶液，测量所述浮子(1)内的压电陶瓷获得的压力，标定浮子(1)的几何常量以及内部氮气压强；通过不同浓度的已知溶液，测量所述下固定(4)内的压电陶瓷获得的压力，标定浮子(1)的体积和质量；
2)在待检测溶液中，测量所述浮子(1)内的压电陶瓷获得的压力，获得当前深度下的溶液压强p；测量所述下固定(4)内的压电陶瓷获得的压力，获得溶液的浓度ρ；
3)根据p＝ρgh，获得溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程修正结果。
本发明的有益技术效果是：
本发明的浮子式智能溶液深度测量装置及测量方法，通过压电陶瓷分别检测浮子所承受的液体的压力、浮子本身的浮力，获得当前位置溶液的压强、浓度，从而获得溶液的深度，并由数据处理和发射装置发射信号，通过外部的接收装置接收并通过显示装置直接显示溶液深度或存储数据。
本发明解决了现有测量方法带来的弊端，适用于各种溶液的深度在线检测，检测精度高，结构简单，尤其适用于不便于取样、危险地点的溶液深度、浓度等数据的在线检测、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、电化学腐蚀等缺陷。
附图说明
图1为本发明浮子式智能溶液深度测量装置的结构示意图；
图2为本发明浮子式智能溶液深度测量装置的浮子的结构示意图；
图3为本发明浮子式智能溶液深度测量装置的固定体的结构示意图；
图4为本发明浮子式智能溶液深度测量装置的三维结构示意图。
图中：1—浮子；2—连接管；3—外罩；4—下固定；5—电池；6—数据处理和发射装置；11—上盖；12—压电陶瓷；13—上活塞；14—液压油；15—油缸；16—连接座；17—受压活塞；41—连接活塞；42—固定端盖；43—下活塞；44—下盖。
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。
如图1所示，本发明的浮子式智能溶液深度测量装置，包括浮子(1)、连接管(2)、外罩(3)、下固定(4)、电池(5)和数据处理和发射装置(6)，其中浮子(1)设置在下固定(4)的上方，浮子(1)、下固定(4)分别连接在连接管(2)上，内部由连接管(2)连通，对外密封；电池(5)和数据处理和发射装置(6)安装在下固定(4)中，避免了检测电信号与溶液接触，电池(5)和数据处理和发射装置(6)主要功能是向外部的接收装置发射压电陶瓷检测的信号；在下固定(4)的外部设有固定的外罩(3)，防止浮子(1)脱离下固定(4)，同时也便于装置与其它可移动本装置的物体连接，在保证装置的整体性的同时，控制装置的位置。
如图2所示，浮子(1)由上盖(11)、压电陶瓷(12)、上活塞(13)、油缸(15)、连接座(16)、受压活塞(17)及浮子外壳顺序安装构成，连接管(2)固接在上盖(11)上，中空的连接管可以方便的将浮子(1)采集的信号传到数据处理和发射装置(6)上，减轻浮子(1)的重量，同时便于平衡浮子(1)和下固定(4)的内部压力；受压活塞(17)在连接座(16)上滑动连接，上活塞(13)在油缸(15)滑动连接，液压油(14)充满由上活塞(13)、油缸(15)构成的腔体中，由于受压活塞(17)的下端直径大于上端直径，因此形成了油缸增压连接，当外部压力使受压活塞(17)移动时，液压油(14)受挤压，通过增压，驱动上活塞(13)使压电陶瓷(12)产生较大电信号，这个增压可以提高浮子(1)中压电陶瓷的检测精度。
如图3所示，下固定(4)由连接活塞(41)、固定端盖(42)、下活塞(43)、压电陶瓷、下盖(44)及外壳顺序安装构成；连接管(2)固接在连接活塞(41)上；在连接活塞(41)、固定端盖(42)和下活塞(43)形成的腔体中充满液压油，由于连接活塞(41)下端直径大于上端直径，因此连接活塞(41)、固定端盖(42)、下活塞(43)形成了增压油缸连接，当浮子(1)的浮力使连接管(2)带动连接活塞(41)上升时，液压油受挤压，通过增压，驱动下活塞(43)使压电陶瓷产生电信号，这个增压则提高了下固定(4)中压电陶瓷的检测精度。
如图1所示，由于氮气容易获得，且接近理想气体，为降低成本，同时便于修正因温度变化引起的装置内部压力变化，因此在由连接管(2)连通的浮子(1)和下固定(4)的内部空间充满氮气，数据处理和发射装置(6)包含温度检测则是便于及时修正因为温度变化而引起的装置内部压力变化数据。如果温度变化不足以引起测量精度变化，也可以不充填氮气和安装温度检测装置，进一步简化结构。
由于检测溶液浓度是通过测量浮子的浮力来实现的，因此浮子(1)为能够浮在液体表面的密封体，为确保数据的一致性，所以下固定(4)为能够使整个装置沉没入溶液的密封体。当然，也可以通过外罩(3)上端设置绳索或连接螺钉，固结在其它移动物体上，达到改变装置在溶液中的位置的目的。考虑到连接活塞(41)上端露在溶液中会受到溶液压力，增加数据处理量，因此，将连接活塞(41)与受压活塞(17)滑动密封连接，简化数据处理过程。
本发明的检测方法之一是：根据装置已知的几何尺寸、质量属性，通过检测压电陶瓷因压力不同而产生的不同电量，获得溶液的深度，下面结合图2、图3，说明测量方法。
参见图2，设所述受压活塞(17)下端面与溶液接触的面积为Ss1，上端面面积为Ss2，上活塞(13)下端面面积为Ss3，装置内部氮气压强为p0，检测浮子(1)内的压电陶瓷(12)所获得的压力为Fs，若当前液体深度下的压强为p，令油压放大倍数
当受压活塞(17)与溶液接触的面积和内部与氮气接触的面积相等时，压强与力和面积的关系为：
通过式(1)，获得溶液在当前浓度和深度下的压强p；
参见图3，设所述浮子(1)体积为V，质量为m，溶液浓度为ρ，重力常数为g，连接活塞(41)上端截面积为Sx1，下端截面积为Sx2，下活塞(43)上端面积为Sx3，令油压放大倍数
检测下固定(4)内压电陶瓷所获得的压力为Fx，根据浮力定律，不难得出：
通过式(1)测得的压强p、式(2)测得的浓度ρ，由p＝ρgh，得出：
由式(3)，获得浮子在当前溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程修正装置内部的压强p0。
本发明的检测方法之二是：通过已知溶液浓度、深度标定装置常量，再通过检测压电陶瓷因压力不同而产生的不同电量，获得溶液的深度，下面结合图2、图3，说明测量方法，其中所采用的同名参数的含义与前叙测量方法描述相同，不再赘述。
参见图2，设已知溶液浓度为ρ0、ρ1，装置的深度位置为h0、h1，检测浮子(1)内的压电陶瓷(12)和下固定(4)内的压电陶瓷的电量，即可标定出常量KsSs1、VgKx、mgKx和装置内部初始压强p0；
设装置在已知浓度为ρ0的溶液中，其深度位置h0和h1已知，深度差Δh＝h1-h0，检测浮子(1)内的压电陶瓷(12)，设测得压电陶瓷所获得的力分别为Fs0、Fs1，其压力差ΔFs＝Fs1-Fs0，由压力与压强和接触面积的关系，即可标定常量KsSs1、p0，为简化标记，KsSs1用C1表示：
装置分别置于已知溶液浓度为ρ0、ρ1的溶液中，分别检测下固定(4)内的压电陶瓷，设测得压电陶瓷所获得的力分别为Fx0、Fx1，标定常量VgKx、mgKx，为简化标记，VgKx、mgKx分别用C2、C3表示，即：
在标定好常量后，将装置置入待检测溶液中，设检测的所述浮子(1)内的压电陶瓷(12)获得的压力为Fs，获得当前深度下的溶液压强p：
设检测的所述下固定(4)内的压电陶瓷获得的压力为Fx，获得溶液的浓度ρ：
通过测得的压强p、浓度ρ，根据p＝ρgh，获得溶液的深度h：
由式(6)，获得浮子在当前溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程修正装置内部的压强p0。
本发明还可以根据确定的多个浓度、深度、温度参数，确定地给出内部压电陶瓷与浓度、深度的对照表，进一步简化数据处理。
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)
1.一种浮子式智能溶液深度测量装置，包括浮子(1)、连接管(2)、外罩(3)、下固定(4)、电池(5)和数据处理和发射装置(6)，其特征在于：
所述浮子(1)设置在下固定(4)的上方，浮子(1)、下固定(4)分别与连接管(2)连接；所述浮子(1)、下固定(4)中分别设置有压电陶瓷，压电陶瓷与所述电池(5)、数据处理和发射装置(6)电连接；所述数据处理和发射装置(6)用于向外部的接收装置发射测量结果；
所述浮子(1)由上盖(11)、压电陶瓷(12)、上活塞(13)、油缸(15)、连接座(16)、受压活塞(17)及浮子外壳顺序安装构成；液压油(14)充满由上活塞(13)、油缸(15)构成的腔体中，当外部压力使受压活塞(17)移动时，液压油(14)受挤压，驱动上活塞(13)，使压电陶瓷(12)产生电信号；
所述下固定(4)由连接活塞(41)、固定端盖(42)、下活塞(43)、压电陶瓷、下盖(44)及外壳顺序安装构成；所述连接管(2)固定在连接活塞(41)上；在所述连接活塞(41)、固定端盖(42)和下活塞(43)形成的腔体中充满液压油，当浮子(1)的浮力使连接管(2)带动连接活塞(41)上升时，液压油受挤压，驱动下活塞(43)使压电陶瓷产生电信号；
所述浮子(1)为能够浮在液体表面的密封体；所述下固定(4)为能够使所述浮子式智能溶液深度测量装置沉没入溶液的密封体；由连接管(2)连通的浮子(1)和下固定(4)的内部空间充满氮气；
所述连接活塞(41)与受压活塞(17)滑动连接；受压活塞(17)在连接座(16)上滑动连接，上活塞(13)在油缸(15)滑动连接。
2.根据权利要求1所述的浮子式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述下固定(4)中设置有温度传感器，温度传感器与所述数据处理和发射装置(6)电连接。
3.根据权利要求2所述的浮子式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述下固定(4)外部设有外罩(3)，防止浮子(1)脱离下固定(4)；所述外罩(3)上端设置有绳索或连接螺钉，用于改变装置在溶液中的位置。
4.根据权利要求3所述的浮子式智能溶液深度测量装置，其特征在于：受压活塞(17)的下端直径大于上端直径；所述连接活塞(41)下端直径大于上端直径。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的浮子式智能溶液深度测量装置测量溶液深度的测量方法，包括如下步骤：
设所述受压活塞(17)下端面与溶液接触的面积为Ss1，上端面面积为Ss2，上活塞(13)下端面面积为Ss3，装置内部氮气压强为p0，检测浮子(1)内的压电陶瓷(12)所获得的压力为Fs，若当前液体深度下的压强为p，令油压放大倍数
当受压活塞(17)与溶液接触的面积和内部与氮气接触的面积相等时，压强与力和面积的关系为：
通过式(1)，获得溶液在当前浓度和深度下的压强p；
设所述浮子(1)体积为V，质量为m，溶液浓度为ρ，重力常数为g，连接活塞(41)上端截面积为Sx1，下端截面积为Sx2，下活塞(43)上端面积为Sx3，令油压放大倍数
检测下固定(4)内压电陶瓷所获得的压力为Fx，根据浮力定律，得出：
通过式(1)测得的压强p、式(2)测得的浓度ρ，由p＝ρgh，得出：
由式(3)，获得浮子在当前溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程修正装置内部的压强p0。
6.一种利用权利要求1-4任一项所述的浮子式智能溶液深度测量装置测量溶液深度的测量方法，包括如下步骤：
设已知溶液浓度为ρ0、ρ1，装置的深度位置为h0、h1，检测浮子(1)内的压电陶瓷(12)和下固定(4)内的压电陶瓷的电量，即可标定出常量KsSs1、VgKx、mgKx和装置内部初始压强p0；
设装置在已知浓度为ρ0的溶液中，其深度位置h0和h1已知，深度差Δh＝h1-h0，检测浮子(1)内的压电陶瓷(12)，设测得压电陶瓷所获得的力分别为Fs0、Fs1，其压力差ΔFs＝Fs1-Fs0，由压力与压强和接触面积的关系，即可标定常量KsSs1、p0，为简化标记，KsSs1用C1表示：
装置分别置于已知溶液浓度为ρ0、ρ1的溶液中，分别检测下固定(4)内的压电陶瓷，设测得压电陶瓷所获得的力分别为Fx0、Fx1，标定常量VgKx、mgKx，为简化标记，VgKx、mgKx分别用C2、C3表示，即：
在标定好常量后，将装置置入待检测溶液中，设检测的所述浮子(1)内的压电陶瓷(12)获得的压力为Fs，获得当前深度下的溶液压强p：
设检测的所述下固定(4)内的压电陶瓷获得的压力为Fx，获得溶液的浓度ρ：
通过测得的压强p、浓度ρ，根据p＝ρgh，获得溶液的深度h：
由式(6)，获得浮子在当前溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程修正装置内部的压强p0。
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