TWI791274B - 線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的方法及系統 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的方法及系統，利用上下固定位置差壓感測器測量上下位置壓力差，通過溶液壓力差與相同位置純水壓力差比較取得該溶液比重，通過比重變化自動校正柱槽液位高度及計算容量，更可進一步利用比重與比重濃度校正點，分析溶液濃度比例，得到有效控制系統資料，提升溶液調配、溶液濃縮、計量管控與反應追蹤作業資料的精確度；通過差壓感測器能排除系統靜壓變化，能適應多變環境監測，實現自動化作業目標。

Description

線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的方法及系統
本發明涉及一種線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度方法及系統，尤其是與線上測量液體比重、液位、容量與濃度技術相關，特別針對複雜多變環境運用，排除環境運用盲點及克服溶液濃度多變難題，建立可靠安全精准測量方案。
傳統線上測量溶液的感知器，僅提供單一功能作業，而在溶液調配濃縮反應過程中，往往其物質濃度會產生變化，當溶液中濃度變化時會使控制信號發生改變，一般對溶液的測量有比重、液位、容量、濃度等需用不同儀器來進行作業。傳統測量溶液濃度往往是單一溶液標準來進行，無法進行多種物質混合測量，特別針對多變環境時，溶液的測量更為困難。
對於液位的測量往往是針對單純液位，有浮球開關、電極檢出、靜電容開關、光電開關、超音波檢測、鐳射測距等等主要是單功能檢出，雖然有壓力式液位計，可以通過壓力信號計量，但其會受液體密度、比重影響、當液體濃度改變時，測量的準確度就會喪失。無法有效適應濃度改變。
而在於液體的濃度上，雖然有通過比重方案來進行測量，但 測量時容易受到環境的影響如高壓、真空封閉環境，就會相當困難；中間有環境靜壓存在，比重裝置必須在環境內進行測量。在傳統通過浮力檢測原理通過天平來測量浮力，在封閉、高溫、高壓及有毒危險環境下，幾乎無法實現，一般都是在常壓安全環境測量。因而目前有光學折射方案來實現，但其仍有限制，需要針對一定範圍濃度，一定物質進行測量，當溶液介質改變了，就會出現盲點，使用起來是受到限制的。
如中國專利申請號201310743138.6基於邁克爾遜干涉儀的液體測量裝置。可以清楚利用光學來進行液體濃度的測量，其特徵在於，利用一個等腰直角空心棱鏡，一個壓電陶瓷材料以及相應的驅動電源組成一個液體濃度測量附件，把該附件加入到邁克爾遜干涉儀的光路中，通過調光路，記錄干涉系統的變化，就可以高效精確快速將得液體的濃度。
雖然目前對於溶液的比重、液位、濃度、容量的測量都不是問題。要一一實現需有多重測量裝置來進行，不但費時費力，更無法進行自動校正補償，在溶液多變濃度環境與多重複雜溶液下，容易造成測量的盲點。
為了克服現有技術中存在的技術問題，本發明旨在提供一種能夠將溶液的濃度與液位容量比重資訊連接起來，做為統一控制測量元件能提供更有效率制程式控制制的線上測量溶液自動校正 液位，容量與濃度方法及系統，以提供產業運用。
具體而言，本發明的主要目的在建立感測器多用途有效追蹤溶液反應資料，提供更完整管控作業訊息，使系統作業更安全，通過簡易型壓力傳送器有效建立比重、液位容量與濃度等功能測量技術。
本發明另一主要目的在建立測量系統隨溶液濃度改變，建立可自動追蹤校正，液位變化，容量變化，能隨時修正精准實現控制要求。避免操作上的失誤，提升管控效益。
本發明另一主要目的在建立線上多元複雜溶液處理的管控技術，克服多元環境障礙，能利用追蹤比重變化，進行溶液品質管控及反應作業要求。隨時有效修正正確資料，更可通過差壓感測模式，排除系統中靜壓，可適應在高壓、高溫、真空等不同環境作業，能提升系統測量穩定度。
為實現上述發明目的，特別設計了一種線上測量溶液自動校正液位，容量與濃度的方法，特別利用柱槽上下固定距離位置的差壓感測器測量溶液壓力，通過測量溶液兩位置測量壓力差與純水相同兩位置壓力差，進行比較即可計算出溶液的比重值，通過溶液比重值即可計算出柱槽液位高度及容量，更可進一步通過事先設定溶液濃度與比重關聯校正點數據，計算出線上溶液濃度。
其計算公式為：
溶液比重=溶液上下固定位置壓力差÷純水上下相同位置壓力差；
溶液液位高度(相對於該測量位置)=溶液測量位置壓力÷溶液比重；
溶液容量(相對於該測量位置)=溶液液位高度×溶液槽體面積；
溶液重量(相對於該測量位置)=溶液容量×溶液比重；
溶液濃度可通過溶液比重相對應上下兩個溶液比重與溶液濃度校正點內插計算出來；
通過上述公式能運算出溶液線上測量溶液變化，可以提供溶液調配、濃縮、計量，反應過程追蹤變化資料，能自動校正溶液資料，提供有效線上測量分析功能。
上述方法運用的差壓感測器能克服靜壓測量障礙，如圖1所示，其方式是利用差壓感測器兩端壓力感測介面，通過取樣管路連接於柱槽固定感測位置及柱槽的頂端，使槽內的靜壓通過上下取樣管使兩端靜壓相互抵消，將槽體內部靜壓排除，解決測量障礙，可以精確讀取位置溶液位置壓力值，可直接應用于高低壓，真空等封閉環境進行線上測量；在開放環境中如有設備靜壓存在，除可利用差壓感測器一端連接於固定測量位置，另一端與大氣相連方案進行測量取得柱槽固定位置液位差值。更可利用一般壓力減測器取代差壓感測器，能獲得相同測量效果。
通過柱槽內溶液上下固定位置壓力差測量值與純水相同固定位置壓力差值，水的基準比重值為1.0，可經由計算自行設計溶 液的比重值，在一般標準溶液可由物質資料資料之比重與濃度關聯校正點輸入資料，分析出液體濃度，在不明確且非標準物質時，可以利用自行調配液體濃度，通過比重測量與所建立比重與該溶液濃度多點校正資料表，系統運行時能線上測量出比重，即可計算出該溶液的濃度，能實現通過比重的測量分析得到溶液濃度正確資料，能有效分析溶液系統中的變化，作為系統資料運用。
為實現上述方法特別設計了一種線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度系統，包括固定距離下位差壓感測器，固定距離上位差壓感測器及壓力測量分析控制器等通過電氣回路連接組成的系統；如圖5所示，將固定距離下位差壓感測器一端連接於柱槽下位取樣點位置，另一端連接於槽體的頂端，能讀取固定距離下位端壓力值，而固定距離上位差壓感測器一端連接於柱槽上位取樣點位置，另一端連接於槽體的頂端，能讀取固定距離上位端壓力值，將讀取溶液固定距離上下位端壓力差值與純水相同固定距離上下位置端壓力差值比較即可計算出測量溶液值之比重。得到該溶液比重值，並且，從壓力感測器測量位置讀取壓力，可計算出該測量位置之溶液液位高度及柱槽內該溶液容量值。進一步，可通過比重與濃度關聯校正點資料庫，計算出該溶液目前濃度。線上測量溶液比重即可自動校正液位、容量、重量與濃度功能，其功能運用可依需求選擇單一或多重控制功能運用。
上述壓力測量分析控制器的系統結構，如圖5所示，包括：
1.上下固定距離壓力讀取單元；
提供柱槽上下固定距離位置差壓感測器之壓力讀取介面，作為線上測量溶液自動校正液位，容量與濃度輸入壓力信號來源；
2.運算分析控制單元；
作為線上測量溶液自動校正液位，容量與濃度系統之運算分析控制核心及提供建立運算分析參數設定作業功能，可將輸入壓力信號進一步分析運算提供溶液比重、液位、容量重量及濃度資訊轉換控制功能並提供操作介面單元輸拾取比重值及溶液濃度比重轉換校正點資料庫建立，存於記憶存儲單元中，並將運算分析資料呈現於顯示單元上，及將控制資料導引多個輸出單元進行控制系統操作更可將演算分析資料資訊通過通訊連接介面，執行資訊分享記錄管控功能；
3.顯示單元；
提供輸入信號壓力顯示資訊，自動校正轉換資訊顯示，如比重值、容量值與濃度等顯示，設定溶液比重比較值顯示，比重與溶液濃度校正資料庫顯示，輸入輸出信號指示及狀態顯示等相關訊息，提供系統操作狀態顯示功能，其顯示可為燈號、文字、圖形、色彩等多重顯示功能的顯示裝置；
4.操作單元；
提供相關標準資訊建立及控制參數設定工具，使比重標準、 比較資料、比重與濃度校正點資料庫建立操作，及相關顯示指引參數，輸出控制參數通訊連接參數…等等需操作工具。
5.記憶存儲單元；
提供運算分析存儲相關校正點資料庫建立存儲訊息位置，提供系統操作資訊存儲，進一步提供線上測量溶液自動校正比重液位、容量、重量與濃度相關轉換校正資料存儲及系統運行參數與歷史記錄資訊，作為系統運行追蹤之依據。
6.多個控制輸出單元；
提供測量資料轉換控制資訊，執行系統控制輸出信號，作為溶液系統輸出操作介面，液位設定控制輸出信號、比重設定輸出信號、容量控制輸出信號、重量設定控制輸出信號、濃度設定控制輸出信號、偏差信號輸出、系統故障訊息輸出等等控制運行介面；
7.通訊連接介面；
提供訊息連接通道，可將線上測量與轉換資料傳送到指定工作站控制中心、資訊整合中心等等，提供多元資訊連接記錄管控制依據，其可通過現有無線與有線網路連接傳送資料，更可利用未來發展網路進行資料傳送。
圖中標號說明
A:柱槽低位測量位置
B:柱槽高位測量位置
C:柱槽頂點介面
LN:固定測量距離
Po:靜壓
PH:低位置差壓感測器
PL:高位置差壓感測器
P1:差壓感測器測量點
P2:差壓感測器測量點
100:壓力測量分析控制器
L:液位高度
L0:底位液位
LA:低位固定液位值
LB:高位固定液位值
D:比重值
M:濃度值%
WO:純水
WN:溶液
圖1 示出為本發明具體實施方式涉及的線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度技術方案的溶液測量圖；
圖2 示出為本發明具體實施方式涉及的線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度技術方案的純水測量圖；
圖3 示出為本發明具體實施方式涉及的線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度技術方案的開放式溶液測量圖；
圖4 示出為本發明具體實施方式涉及的線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度技術方案的比重與濃度校正點關係曲線圖；
圖5 示出為本發明具體實施方式涉及的線上測量溶液自動校正液位，容量與濃度系統圖。
如圖1所示，T為測量溶液柱槽，WN為溶液，A為柱槽低位測量位置，C點為柱槽頂點介面，PH為低位置差壓感測器，通過其P1差壓感測器測量點經採樣管與A點相連，其P2差壓感測器測量點通過採樣管與C點相連，使柱槽內部的Po靜壓通過P1與P2端互相抵消。B為柱槽高位測量位置，PL為高位置差壓感測器，通過其P1差壓感測器測量點經採樣管與B點相連，其P2差壓感測器測量點通過採樣管與C點相連，使柱槽內部的Po靜壓通 過P1與P2端互相抵消。這樣能排除柱槽內部靜壓，可以在有壓力或真空環境下正確測量溶液產生的壓力。
如果柱槽內為純水時，如圖2所示，其比重是1.00，則通過PH與PL差壓感測器之間的壓力差① PWO為純水壓力差=PHWO-PLWO即可作為測量比重的標準資料，進一步利用溶液通過相同固定距離測量的壓力差可得② PWN為溶液壓力差PWN=PHWN-PLWN，通過兩者相比即可得溶液的比重值
柱槽A點液位高度=PHWN÷溶液WN比重值
柱槽B點液位高度=PLWN÷液位WN比重值
Figure 110132065-A0101-12-0009-1
柱槽液位高度=LO柱槽底部到A點液位+A點液位高度
=LO柱槽底部到A點液位+LN固定距離測量高度+B點液位高度
液體容量=液位高度×柱槽面積
液體重量=液位容量×比重
上述公式即可通過比重自動校正計算出來。
在開放的空間時，可以利用差壓力感測器P1端連接A點及B點測量壓力，其另一端連接大氣P2空接，可測量到溶液的壓力值。
更可利用壓力感測器直接連接於固定距離之A點及B點位置。如圖3所示，一樣能有效測量固定距離之壓力差。可以通過 壓力測量分析控制器運算出比重值，實現線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度方法。
對於濃度的測量方案，可以利用現有溶液之標準濃度對應比重兩個校正點數據內插法計算出來，如圖4所示，校正點數據可事先輸入於壓力測量分析控制器中，或是通過溶液濃度調配通過固定距離上下測量壓力取得資料，輸入於壓力測量分析控制器中。
通過線上測量出溶液的比重，即可分析出該溶液濃度，如圖4所示，測得比重1.15時，可由1.1~1.2間的比重相對應濃度值為15%~20%間，計算比重在1.15濃度為：
比重值的差異
Figure 110132065-A0101-12-0010-8
1.2-1.1=0.1
溶液濃度差異
Figure 110132065-A0101-12-0010-9
20%-15%=5%
可以知道比重差異0.1，相對應是5%
Figure 110132065-A0101-12-0010-10
變動0.01是0.5%濃度
Figure 110132065-A0101-12-0010-11
比重1.1時，濃度15%
Figure 110132065-A0101-12-0010-12
比重1.15時，為1.1+0.01*5=1.15
Figure 110132065-A0101-12-0010-13
溶液濃度=15%+0.5%*5=15%+2.5%=17.5%
如圖5所示，壓力測量分析控制器運作如下：
1.首先將100壓力測量分析控制器之①上下固定距離壓力讀取單元，通過電路連接PH固定距離下位差壓感測器及PL固定距離上位差壓感測器連接起來，分別測量A低位置測量點及B高位測量點位置壓力值。
2.進行比重基準值，固定距離測量壓差PH-PL值，可以通 過標準距離換算純水差壓值標準資料或經實際純水測量得到標準資料，通過②運算分析控制單元顯示於③顯示單元中，通過④操作單元進行設定，通過②運算分析控制單元將固定距離之標準資料資訊存入於⑤記憶單元存儲。
進一步將測量溶液之濃度值，相對應比重值之校正點資訊通過④操作單元，將多個溶液濃度值相對應比重值校正點資訊通過④操作單元輸入經②運算分析控制單元輸入於⑤記憶單元存儲，亦可自行調配濃度通過100壓力測量分析控制器取得建立多個溶液濃度值相對應比重校正點數據，其資料可通過③顯示單元呈現，通過④操作單元可存入於⑤記憶單元中，即完成標準自動校正設定資訊。
建立100壓力測量分析控制器顯示控制資訊設定，利用④操作單元將溶液控制需求的資訊建立，通過④操作單元輸入，經②運算分析控制單元存入⑤記憶單元中，在其操作過程資訊可顯示於③顯示單元上導引操作訊息，進一步規劃⑥多個輸出控制單元運行參數及⑦通訊連接單元的通訊參數設定，進一步完成控制前準備作業。
進一步進入實體運行100壓力測量分析控制器即可通過①上下固定距離壓力讀取單元輸入壓力值，顯示固定距離下位PH壓力值及固定距離上位PL壓力於顯示單元上，即能依系統需求自動校正測量溶液比重、液位、容量、重量，更可進一步自動呈現該溶液即時濃度值，可為系統運行控制利用。
以上根據具體實施方式對本發明做出了詳細的描述，然而這些描述都是示例性的，本領域技術人員懂得，基於本發明可以做出各種修飾和變更，只要不脫離本發明精神和宗旨，這些修飾和變更均應落入本發明的保護範疇之內，本發明的保護範圍由所附權利要求書限定。
A:柱槽低位測量位置
B:柱槽高位測量位置
C:柱槽頂點介面
LN:固定測量距離
PH:低位置差壓感測器
PL:高位置差壓感測器
P1:差壓感測器測量點
P2:差壓感測器測量點
L:液位高度
L0:底位液位
LA:低位固定液位值
LB:高位固定液位值
WN:溶液

Claims (5)

  1. 一種線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的方法，其特徵在於，利用柱槽上下固定距離差壓感測器測量溶液壓力，通過測量溶液兩位置壓力值與純水相同兩位置壓力值進行比較，即可計算出該溶液的比重值，通過比重值計算出柱槽溶液液位高度及容量，進一步通過事先標定溶液濃度與比重關聯校正曲線資料，計算出線上溶液濃度；
    計算方式為：
    溶液比重=溶液上下固定位置壓力差÷純水上下相同位置壓力差；
    溶液液位高度(相對於該測量位置)=溶液測量位置壓力÷溶液比重；
    溶液容量(相對於該測量位置)=溶液液位高度×溶液槽體面積；
    溶液重量(相對於該測量位置)=溶液容量×溶液比重；
    溶液濃度可通過溶液比重與已建立溶液比重相對應濃度校正點數據資料內插計算出來；
    通過上述公式能運算出溶液線上測量溶液變化，可以提供溶液調配、濃縮、計量，反應過程追蹤變化資料，能自動校正溶液資料，提供有效線上測量分析功能。
  2. 如請求項1所述的線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的方法，其特徵在於，所述差壓感測器克服靜壓測量的障礙方式，是利用差壓感測器兩端的壓力感知介面，通過取樣管路連接於柱槽固定感測位置及柱槽的頂端，使兩端靜壓相互抵消，將槽體內部靜壓排除，解決測量障礙，可以精確讀取正確溶液位置壓力值，可應用于高低壓、真空等封閉環境 的線上測量；在開放環境設有設備靜壓存在，除利用差壓感測器一端接於固定測量位置，另一端與大氣相連方案進行測量，取得柱槽固定位置液位差值；更可利用一般壓力感測器取代原有差壓感測器，能獲得相同效果。
  3. 如請求項1所述的線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的方法，其特徵在於，對於所述溶液濃度測量，在單一標準物質，可通過現有物質濃度與比重標準對應資訊值，直接輸入控制系統中建立測量比重與濃度對應校正點資料庫，即可實現利用差壓測量分析運算為濃度值，更可利用自行調配實際溶液通過比重值讀取，建立相對應的多點溶液濃度對應標準校正點資料庫，作為測量溶液濃度運算分析依據，可實現標準化物質溶液濃度測量。
  4. 一種線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的系統，其特徵在於，包括固定距離下位差壓感測器、固定距離上位差壓感測器及壓力測量分析運算控制器等通過電氣回路相連組成系統；將固定距離下位差壓感測器一端連接於柱槽採樣下位固定點位置，另一端連接於槽體頂端位置，讀取固定距離下位端壓力值；固定距離上位差壓感測器，一端連接於柱槽上端固定採樣點位置，另一端連接於柱槽頂端採樣點位置，讀取固定距離上位壓力值，溶液壓力差值與純水壓力差值比較，得到溶液比重值，即可從固定距離壓力感測點測量壓力，可以直接算出該測量點之液體液化高度，計算出柱槽內液體容量值，通過比重值校正建立與比重濃度標準校正點資料庫計算出該溶液之濃度線上測量溶液比重即可自動校正測量柱槽液位，容量、重量與濃度功能，其功能運用可選擇單一或多重控 制功能運用。
  5. 如請求項4所述的線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的系統，其特徵在於，所述壓力測量分析控制器的結構包括：
    (1)上下固定距離壓力讀取單元；
    提供柱槽上下固定距離位置之差壓感測器壓力讀取介面，作為線上測量溶液自動校正液位，容量與濃度系統輸入壓力信號來源；
    (2)運算分析控制單元；
    作為線上測量溶液自動校正液位，容量與濃度系統之運算分析提供建立運算分析參數設定作業功能，可將輸入壓力信號，進一步分析運算提供溶液比重液位，容量及濃度資訊轉換控制功能，並提供操作介面單元輸入，拾取比重值及溶液濃度比重轉換校正點資料庫建立，存於記憶存儲單元中，並將操作運算分析資料差顯示於顯示單元上，及將控制資料導引資訊於多個輸出單元進行控制系統操作，更能將演算分析資料資訊，通過通訊連接介面執行資訊分享記錄及管控使用；
    (3)顯示單元；
    提供輸入信號壓力顯示資訊顯示自動校正轉換資訊顯示如比重值，容量值與濃度值顯示，設定溶液比重比較值顯示，比重與溶液濃度校與資料庫操作顯示，輸入輸出信號指示及狀態顯示等相關訊息，提供系統操作狀態顯示功能，其可為燈號、文字、圖形、色彩等多重顯示功能之顯示裝置；
    (4)操作單元；
    提供相關標準資訊建立及控制參數設定作業工具，使比重標準比較資料，比重與濃度校正點資料庫建立操作及相關顯示指引參數，輸出控制參數，通訊連接參數等操作工具；
    (5)記憶存儲單元；
    提供運算分析存儲相關校正點資料庫建立存儲位置提供系統操作資訊記錄，進一步提供線上測量溶液自動校正液位，容量與濃度相關轉換校正資料存儲及系統運行相關參數、歷史資訊記錄，作為系統運行追蹤依據；
    (6)多個控制輸出單元；
    提供測量資料轉換為控制資訊執行系統控制輸出信號，作為溶液系統輸出操作介面，液位設定控制輸出信號，比重設定輸出容量設定控制輸出信號、重量設定控制輸出信號、濃度設定輸出、偏差信號輸出、系統故障訊息輸出等；
    (7)通訊連接介面；
    提供資訊連接通道，可將線上測量轉換資料傳送指定工作站控制中心，資訊整合中心等，進一步提供多元資訊連接記錄管控依據，其可通過現有無線與有線網路連接傳送資料，更可利用未來發展網路進行資料傳送。
TW110132065A 2020-09-16 2021-08-30 線上測量溶液自動校正液位、容量與濃度的方法及系統 TWI791274B (zh)

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