CN109764929A - 一种压电式智能溶液深度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式智能溶液深度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且整个装置能够在溶液中下沉。浮子内部和下壳体内部均设置有压电陶瓷测力机构，下壳体内部还设置有电池和数据处理器，压电陶瓷测力机构和电池均与数据处理器电连接。本发明通过获取浮子所受的浮力、液体对浮子上的波纹密封件的压力，获得溶液的深度和溶液密度并通过数据处理器输出，结构简单，易于制造，降低了制造难度，适用于各种液体介质的测量，解决了现有测量方法带来的弊端。

Description

一种压电式智能溶液深度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，特别是涉及一种压电式智能溶液深度测量装置及测量方法。

背景技术

为监测江河湖海的待测溶液位，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压电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，使待测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：

本发明提供了一种压电式智能溶液深度测量装置，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压电式智能溶液深度测量装置能够在待测溶液中下沉；

所述浮子内部和所述下壳体内部均设置有压电陶瓷测力机构，所述下壳体内部还设置有电池和数据处理器，所述压电陶瓷测力机构和所述电池均与所述数据处理器电连接。

优选的，所述压电陶瓷测力机构包括拉杆、底板、U型框架、钢丝、陶瓷压块和压电陶瓷，所述浮子的底部通过波纹密封件密封，所述底板设置于所述浮子的底面上，所述底板中部开孔，所述U型框架与所述底板连接，所述拉杆设置于所述波纹密封件上且穿过所述底板，所述波纹密封件能够带动所述拉杆沿竖直方向移动，所述拉杆上穿设所述钢丝，所述钢丝的两端分别固定于所述陶瓷压块上，所述陶瓷压块通过压电陶瓷与所述U型框架连接，所述压电陶瓷与所述数据处理器电连接。

优选的，所述下壳体内部的压电陶瓷测力机构中所述底板与所述下壳体的顶面连接，所述拉杆固定于一筒轴上，所述筒轴与所述下壳体的顶面密封且滑动连接。

优选的，所述U型框架的两端通过一张紧螺栓连接，所述张紧螺栓与所述钢丝平行设置。

优选的，所述连接管为两根且对称设置，所述连接管的下端与所述筒轴连通，所述筒轴与所述下壳体的顶面之间设置有密封件，所述密封件与所述筒轴之间设置有密封圈。

优选的，所述钢丝钎焊于所述陶瓷压块上，所述拉杆上通孔的直径由中间向两侧依次变大。

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；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。

本发明还涉及一种基于上述压电式智能溶液深度测量装置的检测方法，包括如下步骤：

(1)将压电式智能溶液深度测量装置放入待测溶液中，测量浮子内的压电陶瓷获得的压力，获得待测溶液在当前密度和深度下的压强p；

检测浮子内压电陶瓷测力机构上的拉杆与压电陶瓷获得力的关系，得到力放大倍数，设力放大倍数为K；根据浮子的几何尺寸，设浮子上波纹密封件的下端面与待测溶液接触的面积为S，浮子内部氮气的初始压强为p₀，浮子上的拉杆受力为F，显然F＝S(p-p₀)，通过浮子内部的压电陶瓷测力机构测得的压力F_s和力放大倍数K，即可得出当前液体压力p；

(2)同样测量下壳体内的压电陶瓷测力机构获得的拉力，根据浮子的体积、质量及下壳体内压电陶瓷测力机构的力放大系数，获得当前位置待测溶液的密度ρ；

设所述浮子体积为V，质量为m，待测溶液的密度为ρ，重力常数为g，压电陶瓷测力机构放大倍数为K₁；设下壳体内压电陶瓷所获得的压力为F_x，根据浮力定律，F_x＝K₁(ρgV-mg)，不难得出待测溶液的密度ρ；

(3)由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，修正浮子和下壳体内部的压强p₀，进而得到压力F_s和F_x的补偿值，再经过计算得到补偿后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、液体对浮子上波纹密封件的压力，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；根据理想气体状态方程，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为本发明压电式智能溶液深度测量装置的结构示意图一；

图2为本发明压电式智能溶液深度测量装置的结构示意图二；

图3为本发明中压电陶瓷测力机构的结构示意图一；

图4为本发明中压电陶瓷测力机构的结构示意图二；

图5为本发明中压电陶瓷测力机构的结构示意图三；

其中：1-浮子，2-下壳体，3-连接管，4-固定框，5-波纹密封件，6-底板，7-U型框架，8-拉杆，9-钢丝，10-陶瓷压块，11-压电陶瓷，12-张紧螺栓，13-筒轴，14-密封件，15-密封圈，16-电池，17-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压电式智能溶液深度测量装置及测量方法，以解决现有技术存在的问题，使待测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4所示：本实施例提供了一种压电式智能溶液深度测量装置，包括浮子1、下壳体2、连接管3和固定框4，浮子1下端通过连接管3与下壳体2上端连接，连接管3为两根且呈“V”字型对称设置于浮子1上，保障浮子1上浮过程中受力均匀，且连接管3中可以贯穿线缆。下壳体2与固定框4连接，浮子1设置于固定框4内部，浮子1和下壳体2均为密闭体且能够在待测溶液中下沉，单独的浮子1能够浮在待测溶液表面，连接下壳体2后能够使整个装置在待测溶液中下沉。浮子1和下壳体2内均填充有氮气，因为氮气是最接近理想气体的气体。固定框4上端连接有绳索或螺杆，用于改变本实施例的压电式智能溶液深度测量装置浸没在待测溶液中的位置，便于回收测量装置。

浮子1内部和下壳体2内部均设置有压电陶瓷测力机构，下壳体2内部还设置有电池16和数据处理器17，压电陶瓷测力机构和电池16均与数据处理器17电连接。

具体的，压电陶瓷测力机构包括拉杆8、底板6、U型框架7、钢丝9、陶瓷压块10和压电陶瓷11，浮子1的底部通过波纹密封件5密封，底板6设置于浮子1的底面上，底板6中部开孔，U型框架7与底板6连接，拉杆8设置于波纹密封件5上且穿过底板6，波纹密封件5能够带动拉杆8沿竖直方向移动，拉杆8上穿设钢丝9，钢丝9的两端分别固定于陶瓷压块10上并保持绷紧状态，陶瓷压块10通过压电陶瓷11与U型框架7连接，U型框架7的两端通过一张紧螺栓12连接，张紧螺栓12与钢丝9平行设置，张紧螺栓12对钢丝9的预紧力与装置的灵敏度直接相关。压电陶瓷11与数据处理器17电连接。张紧的钢丝中间受到拉杆8垂直于钢丝方向的力时，由于钢丝9钎焊或螺纹压接固定在陶瓷压块10上，因此将使两端的陶瓷压块10分别受到向中心的拉力，而该力将直接压在压电陶瓷11上，从而使压电陶瓷11获得电量，压电陶瓷11获得电量与其所受的力相关。从受力平衡可知，上述结构放大了钢丝9中间的拉杆8上受的力，从而使压电陶瓷11与中间拉杆8产生的力的关系变得更加灵敏，有助于提高测量精度。

下壳体2内部的压电陶瓷测力机构中底板6与下壳体2的顶面连接，拉杆8固定于一筒轴13上，筒轴13与下壳体2的顶面密封且滑动连接，当受到液体的压力时，筒轴13可以在竖直方向上移动，进而带动拉杆8扯动钢丝9受力，再从压电陶瓷11上获得测量数据。

筒轴13与下壳体2的顶面之间设置有密封件14，密封件14与筒轴13之间设置有密封圈15。钢丝9钎焊于陶瓷压块10上，拉杆8上通孔的直径由中间向两侧依次变大，使拉杆8上的通孔中部形成一个刃口，可以减小受力过程中的摩擦力，提高测力的精度。

数据处理器17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2内部还设置有温度传感器，温度传感器与数据处理器17电连接。

本发明还涉及一种基于上述压电式智能溶液深度测量装置的检测方法，包括如下步骤：

(1)将压电式智能溶液深度测量装置放入待测溶液中，测量浮子1内的压电陶瓷11获得的压力，根据浮子1的几何尺寸和浮子1内氮气的初始压强，获得待测溶液在当前密度和深度下的压强p；浮子1内部初始压强与其尺寸没有必然关联，是可以单独测量的，常压下安装可以设为一个大气压强。

检测浮子1内压电陶瓷测力机构上的拉杆8与压电陶瓷11获得力的关系，得到力放大倍数，设力放大倍数为K；根据浮子1的的几何尺寸，设浮子1上波纹密封件5的下端面与待测溶液接触的面积为S，浮子1内部氮气的初始压强为p₀，浮子1上的拉杆8受力为F，显然F＝S(p-p₀)，通过浮子1内部的压电陶瓷测力机构测得压力F_s和力放大倍数K，即可得出当前液体压力p：

本实施例还可以通过密度和深度已知的溶液，标定浮子1的几何常量以及内部氮气初始压强；通过不同密度的已知溶液，测量下壳体2内的压电陶瓷11获得的压力，标定浮子1的体积、质量及下壳体2的尺寸关系，进而测量浮子1内的压电陶瓷11获得的压力F_s。

(2)同样测量下壳体2内的压电陶瓷测力机构获得的压力，根据浮子1的体积、质量及下壳体2内压电陶瓷测力机构的力放大系数，获得当前位置待测溶液的密度ρ；

设浮子1体积为V，质量为m，待测溶液的密度为ρ，重力常数为g，压电陶瓷测力机构放大倍数为K₁；设下壳体2内压电陶瓷11所获得的压力为F_x，根据浮力定律，

F_x＝K₁(ρgV-mg)，不难得出待测溶液的密度ρ：

(3)由p＝ρgh，获得待测溶液的深度h：

若调节压电陶瓷测力机构的放大倍数达到一致，即K＝K₁，则

若温度发生变化，根据理想气体状态方程，修正浮子1和下壳体2内部的压强p₀，进而得到压力F_s和F_x的补偿值，再经过计算得到补偿后的待测溶液的密度和深度。

在待测溶液中，测量浮子1内的压电陶瓷11获得的压力，获得当前深度下的待测溶液压强p；测量下壳体2内的压电陶瓷11获得的压力，获得待测溶液的密度ρ；

由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修正装置内部的压强。

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)

1.一种压电式智能溶液深度测量装置，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压电式智能溶液深度测量装置能够在待测溶液中下沉；

所述浮子内部和所述下壳体内部均设置有压电陶瓷测力机构，所述下壳体内部还设置有电池和数据处理器，所述压电陶瓷测力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所述的压电式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述压电陶瓷测力机构包括拉杆、底板、U型框架、钢丝、陶瓷压块和压电陶瓷，所述浮子的底部通过波纹密封件密封，所述底板设置于所述浮子的底面上，所述底板中部开孔，所述U型框架与所述底板连接，所述拉杆设置于所述波纹密封件上且穿过所述底板，所述波纹密封件能够带动所述拉杆沿竖直方向移动，所述拉杆上穿设所述钢丝，所述钢丝的两端分别固定于所述陶瓷压块上，所述陶瓷压块通过压电陶瓷与所述U型框架连接，所述压电陶瓷与所述数据处理器电连接。

3.根据权利要求2所述的压电式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述下壳体内部的压电陶瓷测力机构中所述底板与所述下壳体的顶面连接，所述拉杆固定于一筒轴上，所述筒轴与所述下壳体的顶面密封且滑动连接。

4.根据权利要求2或3所述的压电式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述U型框架的两端通过一张紧螺栓连接，所述张紧螺栓与所述钢丝平行设置。

5.根据权利要求3所述的压电式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述连接管为两根且对称设置，所述连接管的下端与所述筒轴连通，所述筒轴与所述下壳体的顶面之间设置有密封件，所述密封件与所述筒轴之间设置有密封圈。

6.根据权利要求3所述的压电式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述钢丝钎焊于所述陶瓷压块上，所述拉杆上通孔的直径由中间向两侧依次变大。

7.根据权利要求1所述的压电式智能溶液深度测量装置，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；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。

8.根据权利要求1所述的压电式智能溶液深度测量装置，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。

9.根据权利要求1所述的压电式智能溶液深度测量装置，其特征在于：所述浮子和所述下壳体内均填充有氮气。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述的压电式智能溶液深度测量装置检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将压电式智能溶液深度测量装置放入待测溶液中，测量浮子内的压电陶瓷获得的压力，获得待测溶液在当前密度和深度下的压强p；

检测浮子内压电陶瓷测力机构上的拉杆与压电陶瓷获得力的关系，得到力放大倍数，设力放大倍数为K；根据浮子的几何尺寸，设浮子上波纹密封件的下端面与待测溶液接触的面积为S，浮子内部氮气的初始压强为p₀，浮子上的拉杆受力为F，显然F＝S(p-p₀)，通过浮子内部的压电陶瓷测力机构测得的压力F_s和力放大倍数K，即可得出当前液体压力p；

(2)同样测量下壳体内的压电陶瓷测力机构获得的拉力，根据浮子的体积、质量及下壳体内压电陶瓷测力机构的力放大系数，获得当前位置待测溶液的密度ρ；

设所述浮子体积为V，质量为m，待测溶液的密度为ρ，重力常数为g，压电陶瓷测力机构放大倍数为K₁；设下壳体内压电陶瓷所获得的压力为F_x，根据浮力定律，F_x＝K₁(ρgV-mg)，不难得出待测溶液的密度ρ；

(3)由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，修正浮子和下壳体内部的压强p₀，进而得到压力F_s和F_x的补偿值，再经过计算得到补偿后待测溶液的密度和深度。