CN109764928A - 一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法，包括浮子、下壳体、连接管和固定框，浮子下端通过连接管与下壳体上端连接，下壳体的边沿与固定框连接，浮子设置于固定框内部。浮子和下壳体均为密闭体。浮子内部设置有浮力测试机构，下壳体内部设置有拉力测试机构、电池和数据处理器，浮力测试机构、拉力测试机构和电池均与数据处理器电连接。下壳体内部还设置有温度传感器，温度传感器与数据处理器电连接。本发明通过获取浮子的浮力、待测溶液对浮子的压力，获得溶液的深度和溶液密度，可同时输出密度与深度数据，结构简单，易于制造，降低了制造难度；适用于各种待测溶液介质的测量。

Description

一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测量装置的技术领域，特别是涉及一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法。

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时，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，尤其是在溶液密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，且无法获取溶液密度。超声波、远红外适用于测量液面的高度，不方便测量液下深度。压力传感器对于密度不变液体可以实现深度测量，当溶液密度变化时，误差较大。多点布置传感器也无法解决溶液变化引起的误差，而且现有的密度测量装置大多在液体表面使用。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；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，但需预先获得溶液密度，当溶液密度变化时，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，使溶液的深度和密度数据可同时得到，装置简单、方便快捷且精度提高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置，包括浮子、下壳体、连接管和固定框，所述浮子下端通过连接管与所述下壳体上端连接，所述下壳体的边沿与所述固定框连接，所述浮子设置于所述固定框内部，所述浮子和所述下壳体均为密闭体且所述应变式智能溶液深度和密度的测量装置能够在待测溶液中下沉；

所述浮子内部设置有浮力测试机构，所述下壳体内部设置有拉力测试机构、电池和数据处理器，所述浮力测试机构、所述拉力测试机构和所述电池均与所述数据处理器电连接。

优选的，所述浮力测试机构包括第一波纹密封件、立柱、顶柱、摇杆、摆动柱、第一弹簧片和第一应变片，所述第一波纹密封件与所述浮子底盘的中部密封连接，所述立柱设置于所述浮子底盘的边沿上，所述第一波纹密封件能够沿竖直方向伸缩，所述第一波纹密封件的底部设置有所述顶柱，所述立柱的中部与所述摇杆的一端铰接，所述摇杆的另一端上设置有所述摆动柱，所述顶柱与所述摇杆触接，所述立柱的顶部设置有所述第一弹簧片，所述第一弹簧片与所述摆动柱触接，所述第一弹簧片上设置有所述第一应变片，所述第一应变片与所述数据处理器电连接。

优选的，所述顶柱与所述摆动柱的顶面均为半球状。

优选的，所述拉力测试机构包括第二波纹密封件、立板、筒轴、摇板、销轴、第二弹簧片和第二应变片，所述第二波纹密封件的外沿与所述下壳体顶面的中部密封连接，所述第二波纹密封件的中部与所述筒轴的外壁密封连接，所述下壳体的顶面与所述立板的上端连接，所述立板的下端与所述第二弹簧片连接，所述筒轴的顶部与所述连接管密封连接，所述筒轴下部凸出两个耳部，所述耳部上穿设所述销轴，所述摇板呈“L”型，所述摇板的一端与所述立板的中部铰接且所述摇板与所述销轴触接，所述摇板的另一端与所述第二弹簧片触接，所述第二弹簧片上设置有所述第二应变片，所述第二应变片与所述数据处理器电连接。

优选的，所述数据处理器中设置有无线信号发射器，所述无线信号发射器用于信号传输。

优选的，所述下壳体内部还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述数据处理器电连接。

优选的，所述固定框上端连接有绳索或螺杆，用于改变所述压电式智能溶液深度测量装置浸没在待测溶液中的位置。

优选的，所述浮子和所述下壳体内均填充有氮气。

优选的，所述连接管为两个且呈“V”字型对称设置于所述浮子上。

本发明还涉及一种基于上述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法，包括如下步骤：

(1)将应变式智能溶液深度和密度的测量装置放入待测溶液中，通过第一应变片测得第一波纹密封件的下表面所受的压力F₁，第一波纹密封件的下表面面积经测量和计算得到S₁，若在当前密度和深度下的待测溶液压强为p，装置内部压强为p₀，由F₁＝(p-p₀)S₁，从而获得待测溶液在当前密度和深度下的压强p；

(2)通过第二应变片测得浮子的浮力F₂，浮子的体积V和质量m经测量、计算得到，第二波纹密封件的上表面面积经测量和计算得到S₂，根据浮力及力平衡计算公式：F₂＝ρVg-mg-pS₂，可得待测溶液当前深度下的密度ρ；

(3)根据p＝ρgh，获得待测溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程，经过计算得到补偿后的待测溶液的密度和深度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明基于阿基米德原理，通过获取浮子所受的浮力、液体对下壳体的压力，获得待测溶液的深度和密度，可同时输出密度与深度数据，结构简单，易于制造，降低了制造难度；浮子和下壳体对外相对密封，适用于各种液体介质的测量，尤其是危险品测量；根据绝热过程方程，补偿温度变化引起的压力误差，解决了现有测量方法带来的弊端，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明应变式智能溶液深度和密度的测量装置的结构示意图一；

图2为本发明应变式智能溶液深度和密度的测量装置的结构示意图二；

图3为本发明应变式智能溶液深度和密度的测量装置的内部结构示意图；

其中：1-浮子，2-固定框，3-连接管，4-下壳体，5-第一波纹密封件，6-立柱，7-顶柱，8-摇杆，9-摆动柱，10-第一弹簧片，11-第一应变片，12-第二波纹密封件，13-立板，14-摇板，15-筒轴，16-销轴，17-第二弹簧片，18-第二应变片，19-电池，20-数据处理器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法，以解决现有技术存在的问题，使溶液的深度和密度数据可同时得到，装置简单、方便快捷且精度提高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3所示：本实施例提供了一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置，包括浮子1、下壳体4、连接管3和固定框2，浮子1下端通过连接管3与下壳体4上端连接，下壳体4的边沿与固定框2连接，浮子1设置于固定框2内部，可以防止浮子1与下壳体4脱落并保持相对静止，固定框2上可以设置一螺纹孔或者通孔，便于与其他机构连接，还可以安装绳索，便于回收测量装置或控制下降的测量深度。

浮子1和下壳体4均为密闭体，单独的浮子1能够浮在待测溶液表面，连接下壳体4后能够使整个装置在待测溶液中下沉，浮子1和下壳体4内均填充有氮气，因为氮气是最接近理想气体的气体。温度传感器安装在下壳体4内，当温度、压力变化时，受气压变化对测量有一定影响，可以通过理想气体状态方程对测量数据进行补偿。连接管3为两个且呈“V”字型对称设置于浮子1上，保证浮子在上浮过程中受力均匀。

浮子1内部设置有浮力测试机构，下壳体4内部设置有拉力测试机构、电池19和数据处理器20，浮力测试机构、拉力测试机构和电池19均与数据处理器20电连接。数据处理器20中设置有无线信号发射器，无线信号发射器用于信号传输。下壳体4内部还设置有温度传感器，温度传感器与数据处理器20电连接。

具体的，浮力测试机构包括第一波纹密封件5、立柱6、顶柱7、摇杆8、摆动柱9、第一弹簧片10和第一应变片11，第一波纹密封件5与浮子1底盘的中部密封连接，立柱6设置于浮子1底盘的边沿上，第一波纹密封件5能够沿竖直方向伸缩，第一波纹密封件5的底部设置有顶柱7，立柱6的中部与摇杆8的一端铰接，摇杆8的另一端上设置有摆动柱9，顶柱7与摇杆8触接，立柱6的顶部设置有第一弹簧片10，第一弹簧片10与摆动柱9触接，第一弹簧片10上设置有第一应变片11，第一应变片11与数据处理器20电连接。其中，顶柱7与摆动柱9的顶面均为半球状，或者在顶柱7与摆动柱9的中间凸起安装有钢球，可以减小传动过程中的摩擦力，提高浮力测量的精度。

拉力测试机构包括第二波纹密封件12、立板13、筒轴15、摇板14、销轴16、第二弹簧片17和第二应变片18，第二波纹密封件12的外沿与下壳体4顶面的中部密封连接，第二波纹密封件12的中部与筒轴15的外壁密封连接，下壳体4的顶面与立板13的上端连接，立板13的下端与第二弹簧片17连接，筒轴15的顶部与连接管3密封连接，筒轴15下部凸出两个耳部，耳部上穿设销轴16，摇板14呈“L”型，摇板14的一端与立板13的中部铰接且摇板14与销轴16触接，摇板14的另一端与第二弹簧片17触接，第二弹簧片17上设置有第二应变片18，第二应变片18与数据处理器20电连接。

本实施例还涉及一种基于上述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置及测量方法，将应变式智能溶液深度和密度的测量装置放入待测溶液中，通过第一应变片11测得第一波纹密封件5的下表面所受的压力F₁，第一波纹密封件5的下表面面积经测量和计算得到S₁，由第一波纹密封件5的下表面所受力，若在当前密度和深度下的待测溶液压强为p，装置内部压强为p₀，由F₁＝(p-p₀)S₁，从而获得待测溶液在当前密度和深度下的压强p。

还可以通过已知密度和深度的溶液，标定浮子1上第一波纹密封件5的下表面面积S₁和内部氮气压强p₀；通过不同密度的已知溶液，测量所述下固定内的第二应变片18测得的浮力，便可以标定出浮子1的体积V、质量m和第二波纹密封件12的上表面面积S₂，从而再测量所述浮子1内的第一应变片11获得的待测溶液压力。

(2)通过第二应变片18测得浮子1的浮力F₂，浮子1的体积V和质量m经测量、计算得到，第二波纹密封件12的上表面面积经测量和计算得到S₂，根据浮力及力平衡计算公式：F₂＝ρVg-mg-pS₂，可得待测溶液当前深度下溶液密度ρ；

(3)根据p＝ρgh，获得待测溶液的深度h。

若温度发生变化，根据理想气体状态方程，考虑到气体体积变化小，由p V/T＝常量，式中：p为压力，V为浮子内部气体体积，T为绝对温度，当体积变化很小时忽略体积变化，简化为p₀/T₀＝p₁/T₁，计算得到浮子内因温度变化引起的内部压强变化，即p₀的当前压强值变为p₁，经过计算得到当前温度下的待测溶液的密度和深度。

本实施例的工作原理具体如下：

上半部分的浮子1对外密封，内部设置有压力测试机构，当第一波纹密封件5受待测溶液向上的推力时，向上移动并通过顶柱7推动摇杆8，在摇杆8的另一端安装的摆动柱9顶动第一应变片11，摇杆8的摆动使得第一弹簧片10弯曲，进而使第一应变片11应力发生变化，通过摇杆8放大了第一应变片11的变形，进而提高了应力(压力)变化的测量精度。通过测量第一应变片11的电阻变化，获得第一波纹密封件5所受待测溶液压力的大小，设为F₁，浮子1第一波纹密封件5的下表面积为可测量和计算得到的固定值，设为S₁。则该深度下的待测溶液压力：p-p₀＝F₁/S₁，其中，p0为浮子内部气体的初始压强，为简化计算，忽略浮子1内气体压力影响，则该深度下的待测溶液压力：p≈F₁/S₁。

整个测量装置需浸没于待测溶液中，可以通过测量装置的重量大于浮力，当然也可以通过螺杆或者绳索来改变本实施例的测量装置在待测溶液中的深度位置，其中单独的浮子1可浮于待测溶液液面上，连接上下壳体4后可使整个装置浸没在待测溶液中，即下壳体4在待测溶液中会受到向上的拉力作用。下壳体4内部设置有拉力测试机构、电池19和数据处理器20，拉力测试机构安装方法与浮子1内的浮力测试机构类似，因受力方向相反，因此摇板14形状和摇杆8结构略有不同。连接管3上端固定在浮子1上，浮子1通过连接管3与下壳体4上表面的第二波纹密封件12连接，传递数据的软导线通过连接管3并连接数据处理器20及无线信号发射器。同理，通过下壳体4内的第二应变片18变化，并将测量数据传递给数据处理器20及无线信号发射器，获得第一波纹密封件5所受拉力，设为F₂。已知浮子1的体积为V、质量为m，设重力常数为g，第二波纹密封件12的上表面面积为S₂，根据阿基米德原理，浸入静止流体中的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开的流体重量，即浮力为ρgV，其中ρ为待测液体的密度，显然，下壳体4所受拉力F₂＝ρgV-mg-pS₂，若S₂较小则可忽略S₂，即：F₂≈ρgV-mg，从而获得测量装置在当前位置的待测溶液密度ρ。若设当前的待测溶液深度为h，由p＝ρgh，其中p、ρ均已得到，从而测得出待测溶液的深度h。

由于浮子1和下壳体4均为密闭体，当温度变化时，其内的气体压力对测量有一定的影响，下壳体4内的温度传感器可以测得温度的变化值并传递给数据处理器20，并通过理想气体状态方程计算出因温度引起的气体内部压力变化，进而补偿所得到的F₁或者F₂的数值。

考虑到第二波纹密封件12同样受到待测溶液压力，因此，第二波纹密封件12所受的力为浮力与波纹管上表面压力所产生力的合力。设第二波纹密封件12上表面积为S₂，忽略装置内部气体压强的影响，则

F₂≈ρVg-mg-pS₂，

推导即得：ρ≈(F₂+mg+pS₂)/V，(其中p≈F₁/S₁)

若第二波纹密封件12上表面积S₂较小，可以忽略，则

ρ≈(F₂+mg)/V，

从而获得待测溶液在当前位置的密度ρ。

由表达式F₁＝(p-p₀)S₁，可知，第一波纹密封件5与待测溶液接触的面积S₁越大，则待测溶液压力测量灵敏度越高，为提高测量精度，可增大S₁；由表达式F₂＝ρgV-mg-pS₂，可知，第二波纹密封件12与待测溶液接触面积越小，对浮子的浮力F₂的测量影响越小，越有助于提高测量精度。因此，第二波纹密封件12可以做成密封圈轴的密封结构，用以减小S₂对测量结果的影响。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：包括浮子、下壳体、连接管和固定框，所述浮子下端通过连接管与所述下壳体上端连接，所述下壳体的边沿与所述固定框连接，所述浮子设置于所述固定框内部，所述浮子和所述下壳体均为密闭体且所述应变式智能溶液深度和密度的测量装置能够在待测溶液中下沉；

所述浮子内部设置有浮力测试机构，所述下壳体内部设置有拉力测试机构、电池和数据处理器，所述浮力测试机构、所述拉力测试机构和所述电池均与所述数据处理器电连接。

2.根据权利要求1所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述浮力测试机构包括第一波纹密封件、立柱、顶柱、摇杆、摆动柱、第一弹簧片和第一应变片，所述第一波纹密封件与所述浮子底盘的中部密封连接，所述立柱设置于所述浮子底盘的边沿上，所述第一波纹密封件能够沿竖直方向伸缩，所述第一波纹密封件的底部设置有所述顶柱，所述立柱的中部与所述摇杆的一端铰接，所述摇杆的另一端上设置有所述摆动柱，所述顶柱与所述摇杆触接，所述立柱的顶部设置有所述第一弹簧片，所述第一弹簧片与所述摆动柱触接，所述第一弹簧片上设置有所述第一应变片，所述第一应变片与所述数据处理器电连接。

3.根据权利要求2所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述顶柱与所述摆动柱的顶面均为半球状。

4.根据权利要求1所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述拉力测试机构包括第二波纹密封件、立板、筒轴、摇板、销轴、第二弹簧片和第二应变片，所述第二波纹密封件的外沿与所述下壳体顶面的中部密封连接，所述第二波纹密封件的中部与所述筒轴的外壁密封连接，所述下壳体的顶面与所述立板的上端连接，所述立板的下端与所述第二弹簧片连接，所述筒轴的顶部与所述连接管密封连接，所述筒轴下部凸出两个耳部，所述耳部上穿设所述销轴，所述摇板呈“L”型，所述摇板的一端与所述立板的中部铰接且所述摇板与所述销轴触接，所述摇板的另一端与所述第二弹簧片触接，所述第二弹簧片上设置有所述第二应变片，所述第二应变片与所述数据处理器电连接。

5.根据权利要求1所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述数据处理器中设置有无线信号发射器，所述无线信号发射器用于信号传输。

6.根据权利要求1所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述下壳体内部还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述数据处理器电连接。

7.根据权利要求1所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述固定框上端连接有绳索或螺杆，用于改变所述压电式智能溶液深度测量装置浸没在待测溶液中的位置。

8.根据权利要求1所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述浮子和所述下壳体内均填充有氮气。

9.根据权利要求1所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置，其特征在于：所述连接管为两个且呈“V”字型对称设置于所述浮子上。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述的应变式智能溶液深度和密度的测量装置的溶液深度和密度检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将应变式智能溶液深度和密度的测量装置放入待测溶液中，通过第一应变片测得第一波纹密封件的下表面所受的压力F₁，第一波纹密封件的下表面面积经测量和计算得到S₁，若在当前密度和深度下的待测溶液压强为p，装置内部压强为p₀，由F₁＝(p-p₀)S₁，从而获得待测溶液在当前密度和深度下的压强p；

(2)通过第二应变片测得浮子的浮力F₂，浮子的体积V和质量m经测量、计算得到，第二波纹密封件的上表面面积经测量和计算得到S₂，根据浮力及力平衡计算公式：F₂＝ρVg-mg-pS₂，可得待测溶液当前深度下的密度ρ；

(3)根据p＝ρgh，获得待测溶液的深度h；当温度有变化时，根据理想气体状态方程，经过计算得到补偿后的待测溶液的密度和深度。