CN2921824Y - 在线检测液体密度数字传感变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种在线检测液体密度数字传感变送器，包括下部沉入液体的玻璃密度计浮子，所述玻璃密度计浮子上部设有涂黑段，所述玻璃密度计浮子涂黑段设置在LED面光源和接受被涂黑段遮挡的平行光并转换为电平信号的CCD芯片之间，所述CCD芯片与变送器电路连接。所述玻璃密度计浮子包括下部的沉入液体段、中部的量程刻度段和上部的工艺延长段，所述涂黑段设置在工艺延长段上。所述玻璃密度计浮子上部的涂黑段为涂制的印刻度的化工黑涂料、粘入管内的黑纸卷或裹粘的黑塑胶布。本实用新型技术方案克服现有技术的不足，比现有技术简化、成本低，更易应用于工业现场。

Description

在线检测液体密度数字传感变送器

技术领域

本实用新型涉及一种在线检测液体密度的工业仪表，特别是一种基于CCD光电原理在线检测液体密度数字传感变送器。

背景技术

在已发布的实用新型《液体浓度光电在线检测传感器》(专利号02279604)中，其虽然用到电荷偶合器(Charge Coupled Device，一般称CCD)光电转换接收芯片，但是是基于直接照射液体、成象及光折射率的原理，通过很多复杂的光学器件例如：光筒、转象镜、成象镜、反射棱镜及转象光纤等，结构复杂、成本高，工业现场难以实现。其它有关测密度报导，用光电原理的多为计算液体折射率，或是用测力、称重原理，前者适用面小，后者多为有接触式，难以在工业现场实现在线测量。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种在线检测液体密度数字传感变送器，与浮子式液体密度计测量方式一致，但能够非接触式长时间在线检测并完成信号变换，实时远传出高精度数字密度值，比现有技术简化、成本低，更易应用于工业现场。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种在线检测液体密度数字传感变送器，包括下部沉入液体的玻璃密度计浮子，所述玻璃密度计浮子上部设有涂黑段，所述玻璃密度计浮子涂黑段设置在LED面光源和接受被涂黑段遮挡的平行光并转换为电平信号的CCD芯片之间，所述CCD芯片与变送器电路连接。

所述玻璃密度计浮子包括下部的沉入液体段、中部的量程刻度段和上部的工艺延长段，所述涂黑段设置在工艺延长段上。所述玻璃密度计浮子上部的涂黑段为涂制的印刻度的化工黑涂料、粘入管内的黑纸卷或裹粘的黑塑胶布。

所述玻璃密度计浮子的工艺延长段上罩有玻璃保护管，所述玻璃保护管上顶封头，下部开口，外壁管口作隔绝管内管外的密封。所述玻璃保护管可以全部涂黑，管中间两边沿轴向留有透光缝。所述玻璃保护管也可以由矩形黑胶木滑配合夹持，中部沿轴向留有透光缝。

所述CCD芯片背面紧贴有铝散热板，散热板上装有测温数字传感器，测温数字传感器与变送器电路连接。所述散热板为T型截面的散热板，其顶部平面紧贴半导体制冷片的冷面，半导体制冷片的热面紧贴进出循环水的接管口的铝制夹层体。

本实用新型提供了一种与浮子式液体密度计测量方式一致，但能够非接触式信号变换，长时间在线检测，实时远传出高精度数字密度值给仪表或计算机控制系统的密度传感变送器仪表装置，特别是CCD光电技术的应用技术方案克服了现有技术的不足，比现有技术简化、成本低，更易应用于工业现场。该传感变送器适用于密度范围在0.5-2.0，温度小于100℃的任何非粘稠性液体的在线检测，由于使用TDC1501D芯片分辨率达7×7μm，精度可达0.3-0.5级。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的工作原理图；

图3为本实用新型玻璃密度计浮子的结构示意图；

图4为本实用新型玻璃保护管的结构示意图；

图5为图4中B-B向的剖面图；

图6为实用新型窄缝透光遮光套的结构示意图；

图7为图6中A-A向的剖面图；

图8为本实用新型传感器盒的结构示意图；

图9为图8的俯视图；

图10为本实用新型变送器盒的结构示意图；

图11a为本实用新型传感器盒内部结构图，即图11b中D-D向的剖面图；

图11b为本实用新型传感器盒内部结构图，即图11a中C-C向的剖面图；

图12为本实用新型变送器电路原理图；

图13为CCD芯片象素采集原理图；

图14为智能数字显示二次表的示意图。

具体实施方式

图1为本实用新型的结构示意图，图2为本实用新型的工作原理图。如图1、图2所示，本实用新型在线检测液体密度数字传感变送器主体结构包括玻璃密度计浮子9、线阵CCD芯片3和LED面光源31，其中玻璃密度计浮子9下部沉入液体，随液体密度变化而上下移动，上部设有涂黑段，并位于线阵CCD芯片3和LED面光源31之间。LED面光源为30×70mm的发红色平行面光的LED发光板(类似手机屏幕背景光)，内藏LED管经带棱模板转换成平行光，距离玻璃密度计20-30mm。CCD芯片3接受被涂黑段遮挡的平行光并转换为电平信号，发送给变送器电路，变送器电路可计算出通过象素数计算出涂黑段的位移量，再转换成密度值，经RS485串口通讯传出。

图3为实用新型玻璃密度计浮子的结构示意图，玻璃密度计浮子包括三部分：下部粗管为沉入液体段92，管内有铁砂91，与普通玻璃密度计相同，只是上部加高使沉入液中长一些，以保持垂直不倒伏；中部次粗管为量程刻度段93，段长约为60mm，是显示量程刻度在液面上下浮动部分，这段管的直径随密度量程大小而变；上部细管为工艺延长段94，为φ5mm直径的细管。本实用新型技术方案中，工艺延长段4上设置有涂黑段95，细管顶部向下约100mm全部涂黑，涂黑段95的上端面应尽可能平齐。涂黑的方案可以是用防腐配制的印刻度的化工黑颜料，或者用黑塑胶布裹粘一层，也可以用无光黑纸卷粘入上段管内。

图4为实用新型玻璃保护管的结构示意图，图5为图4中B-B向的剖面图。玻璃保护管1非接触地罩在涂黑段外，底段密封，为内径φ8mm，外径φ12mm。此保护管全部涂黑，但是在管中间两边沿轴向留有宽2mm的透光缝101，要保证透光缝紧贴在CCD芯片中间，插入铝制传感器盒中，底段密封固定在流过检测液、浮子浸入的检测取样桶上盖、亦是安装传感变送器的底盘中心。

图6为实用新型窄缝透光遮光套的结构示意图，图7为图6中A-A向的剖面图。这是另一种透光缝的制法，用厚度大于玻璃保护管1外径1-2mm的矩形黑胶木2，中部铣孔滑配合夹持玻璃保护管，同样在夹持管中部沿轴向留有2mm宽的透光缝101，CCD芯片受光面紧贴狭缝。透光缝101一道紧贴CCD芯片受光面，另一道面对LED面光源，玻璃保护管1两端涂黑，遮挡外光干扰。

图8为本实用新型传感器盒的结构示意图，图9为图8的俯视图，图10为本实用新型变送器盒的结构示意图，图11a为本实用新型传感器盒内部结构图，即图11b中D-D向的剖面图，图11b为本实用新型传感器盒内部结构图，即图11a中C-C向的剖面图。如图8-图11b所示，在透光狭缝另一面20-30mm处，立一面30×70mm的发红色平行面光的LED发光板31(类似手机屏幕背景光)，CCD芯片3背面紧贴一块“T”型截面的铝散热板6，散热板上紧贴装有DS18B20测温数字传感器4，散热板的大平面紧贴半导体制冷片8的冷面，其热面紧贴有进出循环水的接管口10的铝制夹层体7。把CCD芯片引脚线及光源还有检测芯片的数字温度传感器引线用排线、D形接插座42引出，所有这些结构装在铝制传感器盒36内，传感器盒外面包有保温的塑料保温隔热层33，然后此传感器盒吊装在固定于检测桶上盖即传感器底盘上的门型安装架41上，安装架两边有吊住传感器盒可调整盒高度的调节螺栓32，CCD高度调节螺栓连接安装架与传感器盒，调试高度找零点。被测液体从下口流入，溢流保持基准液面从上口流出托起玻璃密度计浮子使其涂黑段遮住CCD芯片的感光面，从而按正比关系得到对应玻璃密度计浮子的液体密度变化位移量，并将信号传出。变送器盒29为硬塑外壳，内有单片机控制转换，通过数字通讯将2路信号传出。

由于CCD芯片对温度比较敏感，影响工业现场应用的检测精度，本实用新型上述结构具有智能温度补偿、冷却控制功能：由贴在CCD芯片散热器上的DS18B20数字温度传感器把芯片温度传给单片机，当温度小于30℃时按象素数向上增长的梯度的规律进行补偿，当温度等于30℃时，象素数不变，当温度大于40℃时，控制继电器动作接通半导体制冷片电源及电磁阀引进冷却用自来水，从而使CCD芯片工作在正常温度，变送器电路板还提供可调整电流大小以保证发光强度的发光板直流电源，此变送器电路另装于塑壳盒29内固定于底盘上有排线与传感器盒连接，其中半导体制冷片要用截面1.5(mm)²的粗线连接。

如图1——图11b所示，玻璃保护管1为非金属防腐材料，上顶封头，下部开口，外壁管口作隔绝管内管外的密封；窄缝透光遮光套2为黑色胶木或硬塑，包住保护管，紧贴CCD芯片，使光线透过窄缝照到CCD芯片上；CCD传感芯片(TCD1501D)3接受透过窄缝被涂黑浮子遮挡的平行光并转换为高低电压信号；测温数字传感器(18B20)4用于检测CCD芯片的温度，以控制冷却；印刷线路板5用插座39加高CCD芯片，插座中间开方槽孔以使散热板贴紧CCD芯片；T型散热板6由铝材铣制，将CCD芯片的热量传导到半导体制冷板的冷面；冷却水通道夹层7由铝材铣制，铝板铣空流水槽，盖上焊有流水进出管10，用胶垫密封；半导体制冷板8(12V，5A)由陶瓷封装，冷面紧贴T型散热板，热面紧贴流水冷却槽板；玻璃密度计浮子9为玻璃加涂层，如图3所示；进出流水管10由铝材铣制，下流进，上流出，用橡胶软管倒入导出，外有电磁阀控制；向中收紧螺栓及密封填料函11为金属及生料带，中空的螺栓向下压紧伞形圈向中收紧四氟软填料起到密封作用；向中收紧螺栓及密封填料函12为金属及生料带，中空的螺栓向下压紧伞形圈向中收紧四氟软填料起到密封作用；温度检测保护管13为防腐金属或玻璃，内注变压器油或导热硅脂，内装温度传感器；取样检测桶14为防腐金属或玻璃，检测取样承载体进出口与工艺管线相连，中部有压波溢流液面隔层；测温传感器保护管的导向管15为防腐金属或玻璃，与压波隔层连在一起，管口高于密度基准液面；密度检测溢流基准液面管口16为防腐金属或玻璃，液体向此管涌出将浮子托在中心并从此管口溢出，形成基准液面；出液口17为金属及生料带，从对称的两边(浮子受力对称)并低于液面流出联到工艺管线；浮子限中四壁镂空导向管箍18为防腐金属或玻璃，四壁镂空连通液体，直径略大于浮子外径，防止浮子摆动；数字温度传感器(DS18B20)19浸在保护管13内导热液探入被测液体中送出数字信号；浮子下落软垫护托20为聚四氟乙烯，当液体急减，浮子下落到此中间空的软垫上，不致破碎；切线方向进液管口21为防腐材料或玻璃，取样进口与工艺管线连接，切线进液可成漩涡，浮子在中心旋转；排污螺栓22为防腐材料或玻璃，检修时打开排出液体沉淀的渣滓；装于桶外壁的玻璃透镜23为工业玻璃，通过它可观察浮子在基准液面的高度，调试及监控用；压波隔层24为防腐材料或玻璃，液体涌上经它压波并产生向中心托力并从基准液面管口溢出；传感器安装底盘(桶上盖)25为防腐材料，即是桶上盖又是传感器承载体，安装时要保证水平调正；密封平垫26为氟橡胶或石棉，安装时周边螺栓均匀旋紧保证”密封又保持水平安装；防水密封电缆穿线管接头27为硬塑或金属镀层，电缆从接头内的橡胶圈穿过，经螺帽旋紧挤压抱紧达到密封；仪器安装水平泡28为塑壳内玻璃泡，玻璃泡内有酒精不满有气泡，安放的很平，气泡在中可测水平；密度、温度数字变送器29为硬塑外壳，内有单片机控制转换，通过数字通讯将2路信号传出；安装支架30为铝材和铁板，支承传感器用门形铝，变送器用2mm厚的铁板L型支架；可调亮度的红色平行光发光板31为LED冷光源，内藏LED管经带棱模板转换成平行光，光衰时可调供电电压保亮度；CCD高度调节螺栓32为金属细丝扣，用以调试高度找零点，连接于架装传感器盒铝制门形支承架41；保温隔热层33为塑料板，粘贴于传感器铝外壳36周边，保持冷却效果；传感器帽子外壳34为塑料金属电镀，对传感变送器起保护和遮光作用，外层金属电镀接地起屏蔽作用。通过上述说明，本领域技术人员完全可以实现本实用新型。

图12为本实用新型变送器电路原理图，图13为CCD芯片象素采集原理图，图14为智能数字显示二次表的示意图。变送器电路由现有技术以CPLD可编程逻辑芯片制作的CCD驱动器以及本实用新型的单片机智能变送单元组成，装于硬塑盒内用排线、D形接插座引出至传感器盒，其电路原理见附图12所示，单片机从CCD驱动电路采集到计数脉冲时基、初始及终止脉冲信号(一个象素对应一个脉冲)，又采集到CCD芯片受光转换出的电平信号，用比较器电路找到从低到高亦为从黑到亮的转折处脉冲上升沿，转后整形后传给单片机，其采集CCD感光象素方案如图13所示，单片机可计算出此处(例如3260个)象素数，也就是找到玻璃密度计浮子位移量，再转换成密度值，经RS485串口通讯传出，变送器还可采集液体温度信号，以数字量与密度值一并通讯传出。图14中，NI、PI、TI分别显示浓度、密度和温度，AI是超限报警，CI是控制状态指示，KD是功能键盘设定区。上述结构采用现有的变送器电路即可实现。

Claims (10)

1.一种在线检测液体密度数字传感变送器，包括下部沉入液体的玻璃密度计浮子，其特征在于，所述玻璃密度计浮子上部设有涂黑段，所述玻璃密度计浮子涂黑段设置在LED面光源和接受被涂黑段遮挡的平行光并转换为电平信号的CCD芯片之间，所述CCD芯片与变送器电路连接。

2.如权利要求1所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述玻璃密度计浮子包括下部的沉入液体段、中部的量程刻度段和上部的工艺延长段，所述涂黑段设置在工艺延长段上。

3.如权利要求2所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述玻璃密度计浮子上部的涂黑段为涂制的印刻度的化工黑涂料。

4.如权利要求2所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述玻璃密度计浮子上部的涂黑段为粘入管内的黑纸卷。

5.如权利要求2所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述玻璃密度计浮子上部的涂黑段为裹粘的黑塑胶布。

6.如权利要求2所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述玻璃密度计浮子的工艺延长段上罩有玻璃保护管，所述玻璃保护管上顶封头，下部开口，外壁管口作隔绝管内管外的密封。

7.如权利要求6所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述玻璃保护管全部涂黑，管中间两边沿轴向留有透光缝。

8.如权利要求6所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述玻璃保护管由矩形黑胶木滑配合夹持，中部沿轴向留有透光缝。

9.如权利要求1所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述CCD芯片背面紧贴有铝散热板，散热板上装有测温数字传感器，测温数字传感器与变送器电路连接。

10.如权利要求9所述的在线检测液体密度数字传感变送器，其特征在于，所述散热板为T型截面的散热板，其顶部平面紧贴半导体制冷片的冷面，半导体制冷片的热面紧贴进出循环水的接管口的铝制夹层体。

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