CN2938072Y - 化工液体成分浓度在线检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种化工液体成分浓度在线检测仪，包括连接在化工生产工艺管线上的密闭连续取样装置，所述取样装置内装有上部设置珀镆软磁芯的密度计式传感器，所述密度计式传感器与具有数字激励和抗干扰参比线圈的差动变压器式液体密度传感变送器相结合，配以温度传感变送器，所述密度传感变送器与用软测量技术计算和处理并同时显示液体成分浓度、密度和温度参数的智能数显二次仪表相连接。取样装置可以是并联在工艺管线的旁路上可克服被检测液体压力波动的单桶结构，也可以是串联在工艺管线上的可克服被检测液体流量波动的双桶结构。本实用新型实现了自动分析计算并显示密度和主要成分浓度。

Description

化工液体成分浓度在线检测仪

技术领域：

本实用新型涉及一种基于软测量技术的化工液体成分浓度在线分析检测仪表，特别是涉及一种采用新型密度传感变送器的化工液体成分浓度在线检测仪。

背景技术：

现有技术软测量技术包括选定主导变量和辅助变量，计算机数据采集、存储，数学建模或经验建模，现场校正4项内容，只在大型计算机控制系统内应用。现有技术采用软测量技术的仪表只能对单质特定的浓度检测，且不能分析，成分分析仪表多采用不实时检测的色谱、质谱分析，或者昂贵的在线色谱质谱仪表。其中密度传感器多为浮力称重原理和差压检测测重原理，浮力称重原理不能工业化实时在线，差压检测测重原理要求差压变送器及标准容积流量管精度高，且价格贵。已有专利申请《内置全浸浮子双向测力式液体密度测量仪》(中国专利号99234482.4)虽然有浮子，但是使用测力原理，且是有连杆结构与测力传感器，不适合要求浮子无机械接触的传感器。较接近本实用新型的同类浓度检测，由于浮子没有防侧贴、欠缺防压力波动的取样结构以及不是智能化，用普通分立模拟电子电路实现，不能对信号做线性化处理，造成信号不准，极少有应用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种化工液体成分浓度在线检测仪，可实现密闭自动取样检测、自动分析计算并显示密度和主要成分浓度，用以改造目前大多数化工企业生产过程中人工间断取样、离线的化验室化验分析之落后工艺，达到实时监控生产质量的目的。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种化工液体成分浓度在线检测仪，包括连接在化工生产工艺管线上的密闭连续取样装置，所述取样装置内装有上部设置珀镆软磁芯的密度计式传感器，所述密度计式传感器与具有数字激励和抗干扰参比线圈的差动变压器式液体密度传感变送器相结合，配以温度传感变送器，所述密度传感变送器与用软测量技术计算和处理并同时显示液体成分浓度、密度和温度参数的智能数显二次仪表相连接。

所述取样装置可以为并联在工艺管线的旁路上的可克服被检测液体压力波动的单桶结构取样装置，所述单桶结构取样装置包括测量桶和分别设置在所述测量桶进液口和出液口处的通断阀。所述取样装置也可以为串联在工艺管线上的可克服被检测液体流量波动的双桶结构取样装置，所述双桶结构取样装置包括通过连通管连接的测量桶和缓冲桶，所述缓冲桶中间同轴向设置有溢出管，之间形成缓冲桶夹层，所述溢出管之上设置有伞型导液板，所述伞型导液板中心设置有通孔。

所述密度计式传感器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，所述珀镆软磁芯设置在所述工艺延长段的上部。

所述密度传感变送器包括传感线圈、激励模块和检测模块，所述传感线圈设置在所述珀镆软磁芯外，所述激励模块与传感线圈的原边连接，产生原边交流脉冲；所述检测模块与传感线圈的副边连接，将密度计式传感器上下变动转换成直流信号。进一步地，所述参比线圈设置在传感线圈的副边。

所述密度计式传感器的上部套装在保护管内，所述密度计式传感器位于保护管开口处设置一个内径大于密度计式传感器1mm的尖齿卡圈，所述密度计式传感器的顶端设置一个外径小于保护管内径1mm的外边缘呈刀刃状的定位薄圈，形成密度计式传感器定中防侧贴结构。

本实用新型提出了一种化工液体成分浓度在线检测仪，适用于密度在0.5-2.0之间的非粘稠性、温度小于200℃的化工液体。该仪表装置实现密闭自动取样检测，自动分析计算并显示密度和主要成分浓度，用以改造目前大多数化工企业生产过程中人工间断取样，离线的化验室化验分析之落后工艺，达到实时监控生产质量的目的。

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为本实用新型研制实施步骤图；

图3为本实用新型密度浮子的结构示意图；

图4a、图4b为本实用新型密度传感变送器的结构示意图；

图5为本实用新型激励模块的电连接图；

图6为本实用新型检测模块的电连接图；

图7为本实用新型激励模块的电原理图；

图8为本实用新型检测模块的电原理图；

图9为本实用新型单桶结构示意图；

图10为本实用新型双桶结构示意图；

图11为本实用新型浮子定中防侧贴结构图；

图12为图11中A处的局部放大图；

图13为图11中B处的局部放大图；

图14为图11中尖齿卡圈的结构图；

图15为图14的俯视图；

图16为图11中定位薄圈的结构图；

图17为图16的俯视图；

图18为本实用新型智能数显二次仪表结构图。

具体实施方式

图1为本实用新型的结构示意图。本实用新型化工液体成分浓度在线检测仪包括取样装置、密度计式传感器、密度传感变送器、温度传感变送器和智能数显二次仪表，取样装置串接或者并接在化工生产工艺管线上，密度计式传感器设置在取样装置内，其下部沉入液体，上部设置有珀镆软磁芯，密度传感变送器用于测量密度计式传感器的位移，温度传感变送器用于测量液体温度，智能数显二次仪表与密度传感变送器和温度传感变送器连接，负责接收密度传感变送器和温度传感变送器发送的密度和温度信号，处理后同时显示液体的成分浓度、密度和温度等参数。在本实用新型中，密度计式传感器称为密度浮子。如图1所示，本实用新型取样装置的主体结构分为上、下二部分，上部为传感器安装底盘和帽子1，用工程塑料制成，下部为测量桶0，带有底部进液口23和上部出液口18，安装底盘与测量桶之间设置有密封桶顶部的密封垫8。

首先本实用新型提供一种软测量为核心技术的成分在线分析智能仪表，软测量技术目前国外流行，只在大型计算机控制系统中应用，本实用新型把它简化应用到单片机嵌入式智能仪表的研制上。实施过程如图2所示，说明如下：在确定了与待分析的成分浓度有直接内在联系的主导变量密度及温度或压力后，把取样装置及密度、温度传感器装好并把信号接入一台智能数据采集器，该采集器把采集参数按时间存储在带电保护的存储体内可达一周乃至一个月的数据，然后把数据传入计算机或智能仪表，同样也把在采集器采集时间段分次取样液到化验室用色谱仪或滴定化验精确分析出的成分数据注上时间输入同一计算机和智能仪表，在计算机和智能仪表中把同一时间的主导变量、辅助变量采集值和化验分析值撮合，用付氏变换多项式以及最小二乘等等数学工具建立数学模型，为了求解系数矩阵得到唯一确定解，还需要根据具体工艺设备、条件、以及操作经验，输入各种初始条件及边界条件数值，也可以用长期操作经验找出经验模型，这种数学建模和经验建模就是综合了工艺机理、工艺条件、设备条件，找到检测变量与成分浓度的内在联系即规律性关系，把数学模型表达式作为智能浓度仪数字仪表的检测分析计算程序，研制成专用某一化工成分浓度检测仪，该智能检测仪的数显二次仪表还可在现场与化验室分析结果进行比对，用表上的在线修改系数的功能进行在线校正，智能浓度仪是由单片机嵌入式系统组成，MCU89C55内有16K Flash内存，地址译码和数据总线联接32K带电池保护非易失性RAM作为在线建模校正的数据记录体。三路经高精度差分运放调整的模拟量信号，从外部传感器引入再经过12位高速A/D转换送入MCU，另有一串口485可接受数字传感信号(如果加上串口485输入的检测信号，仪表将可接受多于4～5路的主导变量与辅助变量输入)，在仪表完成计算显示同时还有两路运算结果经过八位D/A转换的模拟量信号4～20mA输出作为控制决策的依据，也可以把此二路输出信号定义为控制信号，以PID调节规律输出到工艺管线上的控制调节阀形成闭环控制系统。另外作为有控制的采样需要，也可作为联锁控制报警的需要，仪表还有三路24V(或220VAC)2A继电器触点输出，用来控制电磁阀和取样泵或其它需控制的设备。最后还设置了串口RS232输出，以备与上位机通讯上传数据，以及并行LTP打印输出口，以备用户接打印机打印数据。智能数显二次仪表从传感变送器传来密度、温度、压力等信号接入装有以单片机为中心及软测量数学模型程序，是能同时显示成分浓度、密度、温度三个参数的数字仪表。智能数显二次仪表的外形是采用国际标准144×144×350mm(如图18所示)，面板上有三个显示窗口，分别显示4位的在线测量的浓度数值；4位的在线测量比重值；三位的在线温度测量数值。同时还有两路主要参数的上、下限4个报警指示灯。另外还有表明仪表工作状态的“设定”“控制”“通讯”“检测”4路指示灯。在仪表的下部有键盘设定区，共六个键分别是设定“Set”，移位“→”，增量“Δ”，减量“”，自检“CK”键，是用于在线的设定上下限报警值；在线的校正修改检测计算值；在线检查仪表工作状态；在线的设定仪表的其它选择功能。这种仪表可以扩展到很多化工成分浓度在线分析检测。

图3为本实用新型密度浮子的结构示意图。本实用新型技术方案采用能传送信号的浮子式密度计原理，其特征是形式简单、接近工人用密度计操作表征，可信性强。本实用新型的密度浮子分为三部分：下部沉在液体内粗管为沉入液体段42，与普通玻璃密度计相同，中部次粗管为量程刻度段43，中部次粗管直管段长约为65mm，这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，上部为工艺延长段44，为平衡与适应传感器位置的细管的顶端装有软磁珀镆合金薄板材料制成的珀镆软磁芯45，细管状的珀镆软磁芯为薄壁管。

图4a、图4b为本实用新型密度传感变送器的结构示意图，密度传感变送器包括传感线圈3、激励模块25和检测模块26，传感线圈3浇封于硬塑管内，设置在密度浮子4的珀镆软磁芯45外，激励模块25与传感线圈3的原边连接，产生原边交流脉冲，检测模块26与传感线圈3的副边连接，将密度浮子上下变动转换成4-20mA的直流信号。此外，本实用新型传感线圈3的副边还设置有参比线圈，参比线圈可产生不随珀镆软磁芯位移变化的参比响应信号。图5为本实用新型激励模块的电连接图，图6为本实用新型检测模块的电连接图，图7为本实用新型激励模块的电原理图，图8为本实用新型检测模块的电原理图。图中，Y-1、Y-2、Y-3和Y-4分别为原边隔线圈，F2、F3分别为副边隔线圈，C-1、C-2、C-3和C-4分别为参比隔线圈，F+和F-分别为差动头+和差动尾-，Y+和Y-分别为激励线圈头+和激励线圈尾-，C+和C-分别为参比线圈头+和参比线圈尾-，A、B为变送输出信号，D和D0为外接电源和隔离电源，S为采集起始开关信号，29表示参比信号，30表示密度信号。图4-图8对本实用新型密度传感变送器的技术方案已经作了详细说明，本领域技术人员完全可以再现密度传感变送器。

本实用新型对传统的差动变压器改进的是采用2051单片机程序送出稳定频率的数字方波放大后作为变压器原边激励源，信号稳定还可计时给数据采集器发信号；除了产生在副边的两组相同绕组反接随浮子磁芯位移而变化的响应信号之外，还增加一组不随磁芯位移变化的参比响应信号，由于这两组响应信号都是原边激励的因变量，其信号成分中都有原边相同的电压、频率，即

差动响应U2＝N2·U1·ΔX＝n2·e·f·u1·ΔX；  (式2-1)

参比响应U3＝N3·U1＝n3·e·f·u1  (式2-2)

式中U1；U2；U3为分别激励源；差动响应；参比响应矢量电压，ΔX为磁芯位移量，n2，n3分别为差动绕组和参比绕组的匝数，e·f·u1分别为两组绕组所处相同的介电常数、激励频率及原边激励电压。改进的差动变压器将密度浮子位移采集信号取自U2除以U3即

Ux＝U2/U3＝(n2·e·f·u1·ΔX)/(n3·e·f·u1)＝Kx·ΔX  (式2-3)

式中的Kx＝n2/n3是个常量  由此可看到密度浮子变化的信号只与位移有关，与电压、频率、等波动无关，从而能克服电磁干扰。另一项改进是用单片机智能仪表程序把非线性呈“S”型的差动变压器信号进行了用多段直线相连的折线代替曲线的线性化处理，再按照线性波美度与密度换算关系得出密度ρ＝f(ΔX).，从而把传感器信号真正处理成密度信号。差动变压器密度传感器、变送器原理结构如图4所示。

由于在线检测的密度传感器要随流动的物料而波动，密度计的基准是稳定的液面，故取样装置的结构是能否准确检测的基础。本实用新型的取样装置有两种形式的机械结构：一种是可克服被检测液体压力波动的单桶稳压结构，另一种是可克服被检测液体流量波动的双桶结构。图9为本实用新型单桶结构示意图，适合略有压力波动的液体，采用将测量桶并联在工艺管线的旁路上，在进液口与出液口各接装一只受控制的通断阀32。液体自底部流入经压波隔层17托起密度浮子从中间小直径的液面基准管涌出，向外溢出经两侧流出管流走，数字仪表控制开始检测时，先控制进口与出口的通断阀32关闭，使液面稳定在基准面，此时液体成“死液”状态，不受前后工艺管线内压力波动影响，本实用新型开始采集，几秒后采集结束，控制前、后通断阀打开，液体继续流通，把测量桶内液体置换成新液，再控制通断阀关、断以采集。每一控制关断-流通为一个采样周期，间隔可据需要任意设定。调整水平位置时由于单桶结构要直接连接阀和工艺管线，本实用新型在进口和出口加装一段波纹软连接管。

图10为本实用新型双桶结构示意图，包括通过连通管34连通的测量桶和缓冲桶，缓冲桶内同轴设置有溢出管35，之间形成缓冲桶夹层36，溢出管35之上设置有伞型导液板37，伞型导液板37中心设置有通孔。本结构适合常压、但流量不稳定的液体，采用将测量桶和缓冲桶串联在工艺管线上。流量急或缓的液体先垂直向下流入缓冲桶，经导向伞型板37流到缓冲桶与溢流管之间的缓冲桶夹层36，如果流量大还有一部分从伞型导液板中间的小通孔直接流入中间的溢流管35，待缓冲桶夹层36满到溢流管的管口时，向内溢流到溢流管下部连接的储液箱38，再从储液箱底部的主管流出。另一方面，在缓冲桶夹层中部开口经连通管34流入测量桶底部，此测量桶内部结构与图9所示单桶结构相同，稳流后的液体流入测量桶经压波稳液面隔层17第二次稳波，托起密度浮子再从中间小直径的液面基准管向外溢出，经两侧流出管流到下部储液箱汇合流出主管。由于安装时调整缓冲桶中间的溢流管口的高度略高于测量桶内的液面基准管口约5-10mm，根据联通管决定两桶液面一样高的原理，测量桶的液面基准管口总是长流不断保持着一定的液面，密度浮子等幅微微上下浮动。对这种结构的采集方式用每个周期采集数百次，例如每半分钟采集500次，然后去掉最大和最小值再平均取一个中值的滤波方式。

图9和图10所示两种机械结构的共同之处是进液口都是从测量桶底部切线方向进入，以使密度浮子随液体旋涡垂直在中间。另外有一个直径略大于密度浮子的导向限偏的四外能透液的管虚“箍住”浮子，为浮子导向防摆镂空箍管20，直径略大于浮子下部直径，四周有长条孔，限制浮子横向摆动；测量桶外腰部有侧耳轴，架在安装架上特制的能从“东西南北”X轴与Y轴两个水平方向调平的固定安装轴瓦，桶顶部传感变送器与桶内密封隔离的安装底盘上有水平仪式“气泡”来保证检测桶传感器水平安装。另外在测量桶上部留有透视镜能看到在基准液面处浮子的刻度，一方面增加与人操作一样的可信性，另一方面可随时观察液体流通及密度浮子工作情况，以判断系统取样工作状态。显然，图9、图10对本实用新型取样装置的结构已十分详细，本领域技术人员完全可以再现该结构。

本实用新型还设计了密度浮子定中防侧贴结构，如图11-17所示，其中图12为图11中A处的局部放大图，图13为图11中B处的局部放大图，图14为图11中尖齿卡圈的结构图，图15为图14的俯视图，图16为图11中定位薄圈的结构图，图17为图16的俯视图。测量桶顶部密封盖有传感变送器安装底盘，底盘中心口向下垂直安装有玻璃保护管2，密度浮子上部细管段在保护管内上下浮动，由于两管的相互吸引性，浮在液体中的密度浮子上部总是要向保护管侧壁靠拢，加上液体会有蒸汽向上在保护管内壁挂水珠，于是密度浮子就会被水珠粘住，影响随密度变化的上下浮动。本实用新型密度浮子定中防侧贴结构包括定位薄圈39和尖齿卡圈40，即密度浮子定中防侧贴结构就是在底盘保护管开口处加装一个内径大于密度浮子细管1mm的尖齿卡圈40，在密度浮子顶端加套一个外径小于保护管内径1mm的外边缘呈刀刃状的定位薄圈39。此两个定位圈的材料是摩擦系数较小的防腐的聚四氟乙烯，考虑到了顶部定位圈配重，两点定中，使密度浮子在保护管中心上下浮动，解决了浮子侧贴问题。显然，图11-17对本实用新型定中防侧贴结构的表述已经十分详细，本领域技术人员完全可以再现该结构。

如图1、图3-图6、图9-图18所示，测量桶(组件)0用防腐材料制成底部入口和上部出口与工艺管线连接；传感器安装底盘和帽子1用工程塑料制成与传感器安装底盘密封，底盘与桶口上端防腐密封；浮子玻璃保护导管2为工业玻璃制成底部开口与桶内相通，上部封口在传感器安装区内；差动变压器可调高低线圈3的线圈浇封于硬塑管内，管外中部有螺扣与调节旋钮装于固定于底座中间的套管座内；密度浮子4由工业玻璃外涂防腐涂料制成，下部沉在液体内，上部内装磁芯探入传感线圈内；线圈高低调节钮5用工程塑料制成大圆螺母状，内扣拧在线圈管中部，外圆滚花，架装在套筒座；温度变送器模块6固定在底盘浇封于硬塑壳内电路将测温铂电阻信号转换为4-20mA信号送出；仪器测水平泡7在安装底盘时，用于调整水平面观测的酒精气泡；测量桶与仪器底盘密封垫8为软平垫，密封桶顶部，安装时要均匀保证水平面；密封压紧螺母9用工程塑料制成，压紧填料以保证浮子保护管内外隔开密封；向中收紧垫圈10为伞状垫片，下压软填料时向中收紧使填料抱紧密封保护管；密封软填料11为聚四氟乙烯生料带；密封压紧螺母及收紧垫圈12是密封测温传感器保护管；温度管密封软填料13与密封软填料11相同；桶外壁上部开孔密封安装工业玻璃视镜14，以观察浮子高度、页面刻度；温度传感保护管15是工业玻璃外涂防腐涂料，沉在液体中，内装铂电阻；基准液面溢流管16固定密封于桶内压波隔层中部，基准口高于出液口；压波稳液面隔层17与桶内壁一体，使液体压住波从中间小直径基准液面管口溢出；出液口18与工艺管线连接，从桶两侧流出，使浮子受力平衡；测温传感器19为铂热电阻；浮子导向防摆镂空箍管20的直径略大于浮子下部直径，四周有长条孔，限制浮子横向摆动；浮子下落护垫21用于当液体流空浮子下落，此中空软垫托住浮子，保护浮子不破碎；排污螺栓22是防腐材质丝堵，维修时打开排去沉淀瘀聚杂质；沿切线方向进液口23与工艺管线连接样液进口，切线流形成中心漩涡，使浮子垂直漂浮在中间；变送器安装架24为薄金属板L型，固定于底盘上有固定模块位置的螺孔；激励模块25是金属防水密封盒内有产生差动变压器原边交流脉冲的单片机驱动电路(如图7所示)；检测模块26是金属防水密封盒内有差动变压器付边随浮子上下变动转换成4-20mA直流信号的电路(如图8所示)；密封防水电线出线口27由工程塑料制成，中穿电缆过胶圈压紧密封；图18所示的智能数字显示二次仪表28采用软测量数学模型，数字显示成分浓度、密度、温度三参数，有智能设定修改及控制输出等功能。通过上述说明，本领域技术人员完全可以实现本实用新型。

Claims (7)

1.一种化工液体成分浓度在线检测仪，其特征在于，包括连接在化工生产工艺管线上的密闭连续取样装置，所述取样装置内装有上部设置珀镆软磁芯的密度计式传感器，所述密度计式传感器与具有数字激励和抗干扰参比线圈的差动变压器式液体密度传感变送器相结合，配以温度传感变送器，所述密度传感变送器与用软测量技术计算和处理并同时显示液体成分浓度、密度和温度参数的智能数显二次仪表相连接。

2.如权利要求1所述的化工液体成分浓度在线检测仪，其特征在于，所述取样装置为并联在工艺管线的旁路上的可克服被检测液体压力波动的单桶结构取样装置，所述单桶结构取样装置为测量桶和分别设置在所述测量桶进液口和出液口处的通断阀。

3.如权利要求1所述的化工液体成分浓度在线检测仪，其特征在于，所述取样装置为串联在工艺管线上的可克服被检测液体流量波动的双桶结构取样装置，所述双桶结构取样装置为通过连通管连接的测量桶和缓冲桶，所述缓冲桶中间同轴向设置有溢出管，之间形成缓冲桶夹层，所述溢出管之上设置有伞型导液板，所述伞型导液板中心设置有通孔。

4.如权利要求1所述的化工液体成分浓度在线检测仪，其特征在于，所述密度计式传感器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，所述珀镆软磁芯设置在所述工艺延长段的上部。

5.如权利要求1所述的化工液体成分浓度在线检测仪，其特征在于，所述密度传感变送器包括传感线圈、激励模块和检测模块，所述传感线圈设置在所述珀镆软磁芯外，所述激励模块与传感线圈的原边连接，产生原边交流脉冲；所述检测模块与传感线圈的副边连接，将密度计式传感器上下变动转换成直流信号。

6，如权利要求1所述的化工液体成分浓度在线检测仪，其特征在于，所述抗干扰参比线圈设置在传感线圈的副边。

7.如权利要求1所述的化工液体成分浓度在线检测仪，其特征在于，所述密度计式传感器的上部套装在保护管内，所述密度计式传感器位于保护管开口处设置一个内径大于密度计式传感器1mm的尖齿卡圈，所述密度计式传感器的顶端设置一个外径小于保护管内径1mm的外边缘呈刀刃状的定位薄圈，形成密度计式传感器定中防侧贴结构。

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