CN221038840U - 一种透明溶液浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种透明溶液浓度测量装置，该透明溶液浓度测量装置，包括自制容器，自制容器的内部设置有超声波测量机构，自制容器顶部的一侧设置有导轨，超声波测量机构设置于导轨的外侧，超声波测量机构包括自制梯度测量管，自制梯度测量管一侧的底部连接有超声波传感器，自制梯度测量管的顶部连接有单片机，单片机的一侧连接有转串口，转串口的一侧连接有控制端，单片机的内部设置有开发板，开发板上设置有计数模组、控制模组和信号模组，计数模组用于统计所用时间。本实用新型提供的透明溶液浓度测量装置，通过声波在任何溶液传播声速，温度两个数值就可以计算出该溶液浓度的结果。

Description

一种透明溶液浓度测量装置

技术领域

本实用新型涉及声波测量仪器领域，尤其涉及一种透明溶液浓度测量装置。

背景技术

液体是基本的三大类别之一，物理性质常常是需要检测的，对于液体来说，浓度值需要经常要测量，目前液体的浓度测试方法常见有：重量分析法、酸碱滴定法、紫外分光光度法、气相液相色谱法、红外光谱法、质谱法。

但是，每种方式都具有一定局限性，重量分析法需要将被测组分从试样中分离出来，遇到某些不易分离的溶液很难测量；酸碱滴定法要求溶质必须具有酸碱性；紫外分光光度法在测试完空白再进行测试样品中，会导致全波段分析时间相对长问题发生；气相液相色谱法在对组分直接进行定性分析时，必须用已知物或已知数据与相应的色谱峰进行对比，或与其他方法(如质谱、光谱)联用，才能获得直接肯定的结果。在定量分析时，常需要用已知物纯样品对检测后输出的信号进行校正；红外光谱法由于测定样品镜反射光谱时，在有吸收的区域会产生折射率的异常分散现象，导致吸收峰曲线出现变形。这种光谱很难进行谱图的后续分析，通常情况下需要将谱图进行数据处理，kk转换后变成类似透过法得到的谱图，才能进行后续的分析；而质谱法虽然准确且有很大测量范围，但是设备及测量成本及其昂贵。

为此，有必要提供一种的透明溶液浓度测量装置解决上述技术问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种透明溶液浓度测量装置。

本实用新型提供的透明溶液浓度测量装置，包括自制容器，所述自制容器的内部设置有超声波测量机构，所述自制容器顶部的一侧设置有导轨，所述超声波测量机构设置于导轨的外侧,所述超声波测量机构包括自制梯度测量管，所述自制梯度测量管一侧的底部连接有超声波传感器，所述自制梯度测量管的顶部连接有单片机，所述单片机的一侧连接有转串口，所述转串口的一侧连接有控制端,所述单片机的内部设置有开发板，所述开发板上设置有计数模组、控制模组和信号模组，所述计数模组用于统计所用时间，所述信号模组用于传输计数模组的上传信号。

为了达到便于上下调节超声波测量机构的效果，作为本实用新型提供一种透明溶液浓度测量装置，优选的，所述导轨的两侧均设置有防滑凸杆，所述导轨的外侧套设有固定架，所述固定架的一侧连接有电机，所述电机的转轴连接有防滑轮，所述防滑轮卡设于防滑凸杆的外侧。

为了达到便于控制调节距离的效果，作为本实用新型提供一种透明溶液浓度测量装置，优选的，所述自制梯度测量管的内部设置有红外测距仪，所述导轨顶部的一侧连接有顶板。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

该透明溶液浓度测量装置：

超声波测量机构：通过控制变量法、计算机拟合得到两种样品声速与温度和浓度两参数函数关系式，给出种新的测定可溶性物质浓度的方法，此实验选择工业上典型的有机和无机溶液—NaCl和葡萄糖溶液，通过实验得到样品溶液声速和温度、浓度的函数关系式，实现由声速测量液体浓度，最后达到任何溶液只要给出声速，温度两个数值就可以计算出浓度的结果。

附图说明

图1为本实用新型提供的透明溶液浓度测量装置的一种较佳实施例的结构示意图；

图2为图1所示自制梯度测量管的结构示意图；

图3为图1所示超声波测量机构的结构示意图；

图4为图3所示单片机的内部结构示意图；

图5为图1所示自制容器与超声波测量机构的结构示意图；

图6为图1中A处的结构放大示意图；

图7为图2所示超声波传感器结构示意图；

图8为不同浓度下温度与声速的关系散点图；

图9为不同浓度下温度与声速的关系拟合图；

图10为不同温度下浓度与声速的关系散点图；

图11为不同温度下浓度与声速的关系拟合图；

图12为不同温度下浓度与声速的关系拟合图。

图中标号：1、自制容器；2、超声波测量机构；21、自制梯度测量管；22、超声波传感器；23、单片机；24、转串口；25、开发板；26、计数模组；27、控制模组；28、信号模组；3、导轨；4、防滑凸杆；5、固定架；6、防滑轮；7、红外测距仪；8、顶板；9、电机；10、控制端。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。

请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5、图7、图8、图9、图10、图11和图12，其中图1为本实用新型提供的透明溶液浓度测量装置的一种较佳实施例的结构示意图；图2为图1所示自制梯度测量管的结构示意图；图3为图1所示超声波测量机构的结构示意图；图4为图3所示单片机的内部结构示意图；图5为图1所示自制容器与超声波测量机构的结构示意图；图6为图1中A处的结构放大示意图；图7为图2所示超声波传感器结构示意图；图8为不同浓度下温度与声速的关系散点图；图9为不同浓度下温度与声速的关系拟合图；图10为不同温度下浓度与声速的关系散点图；图11为不同温度下浓度与声速的关系拟合图；图12为不同温度下浓度与声速的关系拟合图。透明溶液浓度测量装置，包括自制容器1，自制容器1的内部设置有超声波测量机构2，自制容器1顶部的一侧设置有导轨3，超声波测量机构2设置于导轨3的外侧，超声波测量机构2包括自制梯度测量管21，自制梯度测量管21一侧的底部连接有超声波传感器22，自制梯度测量管21的顶部连接有单片机23，单片机23的一侧连接有转串口24，转串口24的一侧连接有控制端10，单片机23的内部设置有开发板25，开发板25上设置有计数模组26、控制模组27和信号模组28，计数模组26用于统计所用时间，信号模组28用于传输计数模组26的上传信号。

需要说明的是：常用的声速测量方法有两类：一是利用公式v＝fλ，测量其波长λ和频率f，求出声速v。在实验室中测量波长时可用相位比较法。二是应用声速定义式v＝l/t，测出传播距离l及所用时间t，求出声速v。称为“时差法”，本实验采用的时差法则属于第二种方法，时差法就是在距离已知的情况下，通过测量在这段时间超声波传播的时间来得到超声波传播速度，公式表达为：

v＝s/l

其中v代表传播速度，s代表传输距离，t代表时间间隔，首先用脉冲调制的正弦符号输入到超声波发射器固定的压电陶瓷换能器，然后超声波发射器S1发射一列脉冲信号同时开始计时，待超声波接收器S2接受脉冲信号的同时计时结束，由此过程得出时间间隔t，通过已知距离s进而获得速度。

超声波测距主要以单片机23为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s＝v×t/2，这就是常用的时差法测距

需要说明的是：单片机23与超声波传感器22均嵌固于自制梯度测量管21的内部，超声波的发射与接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法就是利用压电效应与磁致伸缩效应来实现的。本实验中的超声波传感器22采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转化。在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心型振子，头部用轻金属做成喇叭状，尾部用重金属做成锥形或柱形，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心，这种结构增大了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩，这样所发射的波方向性强，平面性好，因为超声波具有波长短、易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速，转串口24为USB转TTL模块转串口。

需要说明的是：计数模组26、控制模组27、信号模组28均焊接于开发板25上，在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机23系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机23的计数模组26处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机23发出信号使控制模组27关闭发射信号，计数模组26开始计数，实现起始时的同步；当信号模组28接收信号的最后一个脉冲到来后，计数模组26停止计数。

参考图1和图6所示，导轨3的两侧均设置有防滑凸杆4，导轨3的外侧套设有固定架5，固定架5的一侧连接有电机9，电机9的转轴连接有防滑轮6，防滑轮6卡设于防滑凸杆4的外侧。

参考图1和图6所示，自制梯度测量管21的内部设置有红外测距仪7，导轨3顶部的一侧连接有顶板8。

需要说明的是：导轨3与防滑凸杆4为熔铸一体件，电机9的输出轴与防滑轮6的内圈焊接固定，防滑轮6的外侧与防滑凸杆4的外侧贴合，红外测距仪7嵌固于自制梯度测量管21的内部，红外测距仪7便于检测顶板8之间的距离。

本实用新型提供的一种透明溶液浓度测量装置的工作原理如下：

将实验装置安装固定后，配制0.2mol/L、0.4mol/L、.....、5.4mol/L(最大量浓度)250ml备用，将配制好的0.2mol/L的溶液加热至55℃，然后立即将其倒满自制容器1，将超声波传感器22插设于自制梯度测量管21的内部，打开电脑上的编程好的程序，点击打开串口，开始测量溶液温度和声速数据，直至温度降低至室温，保存数据验证，接下来对任一浓度葡萄糖溶液具有浓度梯度进行验证，室温下，将适量的水倒入自制容器1中，加入适量的葡萄糖并搅拌至完全溶解，将自制梯度测量管21安装在固定架5的一侧，装置放入自制容器1的一个角落便于紧贴容器向上移动，等待测量，工作人员通过电脑操控电机9和计时，电机9带动防滑轮6转动，防滑轮6沿着防滑凸杆4的外侧移动，使得固定架5上下移动，固定架5带动自制梯度测量管21移动，自制梯度测量管21带动红外测距仪7，当红外测距仪7的数值每上升3mm停留20s测量，保存数据。

本实验旨在建立液体浓度与温度、声速的依赖关系，于是我们通过不断地测试通过真实测试数据得到了以下三点图曲线，并根据规律拟合出了不同的关系函数图，对NaCl溶液设置浓度梯度，探究实验不同的浓度梯度下温度与声速之间的关系与变化规律是否一致，根据实验结果，对数据进行筛选并剔除异常值后用matlab进行可视化展现得到图8，根据图8，我们用二次函数T＝aV2+bV+c对真实数据关系进行拟合，得到以下的关系函数图，见图9，具体拟合函数见图例，设置温度梯度，探究实验不同的温度梯度下NaCl溶液浓度与声速之间的关系与变化规律是否一致，根据实验结果，对数据进行筛选并剔除异常值后用matlab进行可视化展现得到图10，根据图10的结果，对其用标准的二次函数S＝aV2+bV+c拟合得到以下函数图像，见图11具体拟合函数关系式见图例，接下来，我们通过自制梯度浓度测量装置来对不同距离下的的传播速度进行了实验测试，得到的结果经过筛选出可靠值并进行可视化处理后结果如图12所示，结合图12可知，溶液从底部越往上，超声波传播速度越快。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种透明溶液浓度测量装置，其特征在于，包括自制容器(1)，所述自制容器(1)的内部设置有超声波测量机构(2)，所述自制容器(1)顶部的一侧设置有导轨(3)，所述超声波测量机构(2)设置于导轨(3)的外侧,所述超声波测量机构(2)包括自制梯度测量管(21)，所述自制梯度测量管(21)一侧的底部连接有超声波传感器(22)，所述自制梯度测量管(21)的顶部连接有单片机(23)，所述单片机(23)的一侧连接有转串口(24)，所述转串口(24)的一侧连接有控制端(10),所述单片机(23)的内部设置有开发板(25)，所述开发板(25)上设置有计数模组(26)、控制模组(27)和信号模组(28)，所述计数模组(26)用于统计所用时间，所述信号模组(28)用于传输计数模组(26)的上传信号。

2.根据权利要求1所述的透明溶液浓度测量装置，其特征在于，所述导轨(3)的两侧均设置有防滑凸杆(4)，所述导轨(3)的外侧套设有固定架(5)，所述固定架(5)的一侧连接有电机(9)，所述电机(9)的转轴连接有防滑轮(6)，所述防滑轮(6)卡设于防滑凸杆(4)的外侧。

3.根据权利要求2所述的透明溶液浓度测量装置，其特征在于，所述自制梯度测量管(21)的内部设置有红外测距仪(7)，所述导轨(3)顶部的一侧连接有顶板(8)。