專利名稱：超聲波激差式液體濃度傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種激差式液體超聲波濃度傳感器，用于工業(yè)生產(chǎn)過程中液體濃度在線適時檢測；尤 其是能只用一個傳感器就能從全溶性液體至懸浮液體全適應在線測量，無須溫度補償，且能智能識別溶液 類型和現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)某暆舛葌鞲衅鳌?br> 背景技術(shù)：
超聲波液體濃度傳感器屬工業(yè)生產(chǎn)領域監(jiān)測儀器。大量應用于石油鉆井、煉油、采礦、采煤、礦道安 全、冶煉、制藥、衛(wèi)星發(fā)射、環(huán)保工程、食品制造、水處理、奶制品業(yè)、造紙業(yè)、化工、油漆制造、建筑、 橋梁槳體制備等工業(yè)行業(yè)。目前，公知的電磁式、電導式、光纖式、聲時濃度計等用于工業(yè)在線的濃度測 量裝置都有相應的缺陷，例如電磁式、電導式濃度計的液體適應范圍極窄，溫度變差嚴重，對液體電導 率依賴性極大，不能測量非導電液體；光纖式濃度計只適應全溶性低濃度工況，且液體須無色素而固有色 不隨化學性質(zhì)變化；聲時濃度計無法對濃度及溶型均在變化的液體進行測量，且上述方法都很難實施溫度 補償，致使無法大量普及應用，以至目前絕大多數(shù)涉及液體濃度量值測控的工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中仍采用 傳統(tǒng)的"取樣一質(zhì)液分離一稱重"三步曲。耗時冗長，無法獲得適時數(shù)據(jù)。本傳感器采用超聲激集差補式設 計，是傳統(tǒng)在線濃度測量的革命性、開創(chuàng)性進步，它不但只用一個傳感器就能從全溶性液體至懸浮性液體 全適應在線測量，還無須溫度補償，并且能智能識別溶液類型。傳感器后端裝有用于數(shù)據(jù)處理的微處理器, 可將適時濃度信號以(T5V,廣5V, 4~20Ma, RS485方式輸出，能將2~128個超聲波液體濃度傳感器在現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)，用一根雙絞線傳到遠程控制中心。其超聲激集差補式液體濃度傳感器的關(guān)鍵是采用了反射與衍射超 聲束，同時運行于工況媒質(zhì)，并采用探速超聲管置于傳感器本體的中央，兩側(cè)分布不同特性的超聲縱波傳 感器，這樣設計既隔離了上述聲束在附近媒質(zhì)的空化擾動，又由于內(nèi)裝標準媒質(zhì)(溶液)的超聲管全部置 于工況媒質(zhì)中，形成了與在線工況媒質(zhì)的溫度適時差補，解決了傳統(tǒng)濃度測量領域困擾多年的溫度補償繁 雜，適應媒質(zhì)極窄的難題，是一種新型的真正一機多用，媒質(zhì)寬廣的工業(yè)在線適時濃度傳感器。據(jù)文獻撿索已有的如"超聲波乙醇濃度傳感器"(釀酒.2003， 30(5),31-33)、"發(fā)酵菌體質(zhì)量超聲 波濃度傳感器"(傳感器技術(shù).2002, 21 (9). -48-50)、(微電子技術(shù).2002, 30(3). -17-20);及專利88218979. 4 公布的"光電濃度傳感器"，主要由半導體發(fā)光器件、聚光鏡、基準反射鏡以及光敏探測器整體密封而成，可將溶液的濃度轉(zhuǎn)換為電信號輸出......等均需用龐大的多點實驗、多曲線擬合，以提高成本和龐大的工作量來解決有限的溫度點補償，且只能單一溶液在線測量，無法實現(xiàn)一只傳感器實現(xiàn)從全溶液體至懸 浮液體測量，不能智能識別溶液類型和"溶型"在工況中變化的液體，因此適用范圍狹窄。發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有超聲波液體濃度傳感器很難實施溫度補償，不能智能識別溶液類型，及遠程聯(lián)網(wǎng)在線測 量控制。本項目與其他類型研究不同之處(即發(fā)明創(chuàng)新要點)是中華人民共和國科技部西南信息中心查新 中心(國家一級査新咨詢單位)J20050355號科技査新報告1) 采用"超聲波激集差補式"總體設計，多相鎖定液體媒質(zhì)的濃度信息。2) 采用"Fa反射聲束的渡越特性"和"Fe衍射聲束衰減特性"作媒質(zhì)濃度的主體指針。3) 采用超聲管的徑向縱波特征獲取媒質(zhì)的聲阻抗作媒質(zhì)濃度的窗口鑒別信息。4) 采用"標準媒質(zhì)超聲探速管"隔離空化擾動并實現(xiàn)"溫度同源差補"。5) 將上述伺服電路和微處理器嵌入傳感器本體，成為數(shù)字化超聲波濃度傳感器。技術(shù)方案本實用新型提供一種超聲激集差補式液體濃度傳感器，關(guān)鍵是采用了反射與衍射超聲束，同時運行于 工況媒質(zhì)，并采用探速超聲管置于傳感器本體的中央，兩側(cè)分布不同特性的超聲縱波傳感器，這樣設計既 隔離了上述聲束在附件媒質(zhì)的空化擾動，又由于內(nèi)裝標準媒質(zhì)(溶液)的超聲管全部置于工況媒質(zhì)中，形 成了與在線工況媒質(zhì)的溫度適時補償繁雜，適用媒質(zhì)極窄的難題，是一種新型的真正的一機多用媒質(zhì)寬廣 的工業(yè)在線適時濃度傳感器。該傳感器的創(chuàng)新性處于國內(nèi)領先地位。本實用新型的有益效果是傳統(tǒng)在線超聲波濃度控制是的革命性、開創(chuàng)性進步，它不但只用一只傳感器應就 能從全溶性至懸浮性液體全適應在線測量，還無須溫度補償，并且能智能識別溶液類型，適時獲取濃度信 號而且還可2 128個點(站)現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)，遠程控制。性能穩(wěn)定，精度高、可靠性較好。廣泛適應于石油 鉆探、煉油、采礦、采煤、礦道安全、冶煉、制藥、衛(wèi)星發(fā)射、環(huán)保工程、食品制造、水處理、飲料、奶 制品、釀酒、造紙業(yè)、化工、油漆制造、建筑、橋梁漿體等。


本實用新型涉及到工業(yè)生產(chǎn)過程中液體濃度在線適時檢測的智能傳感器，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。分 別由傳感器外殼(1)、匹配電路(2)、 Fa反射聲束換能器(3)、導液孔(4)、探速超聲管(5)、腔體端 面(6)、傳感器腔(7)、標準液(8)、 FP衍射縱波換能器(9)和探速超聲管換能器(10)組成。
具體實施方式
以下將結(jié)合附圖對本實用新型的具體結(jié)構(gòu)作進一步的描述。參見圖1，本實用新型傳感器在主電路和 伺服軟件的控制下，由Fci反射聲束換能器(3)按一定時序發(fā)出反射超聲束，經(jīng)傳感器腔(7)內(nèi)充盈的 液體， 一方面被腔體端面(6)反射至換能器(3)為計算被測液體渡越聲速與濃度關(guān)系提供第一指征；另 一方面，聲波經(jīng)傳感器腔內(nèi)的液體介質(zhì)衍射后被縱波換能器(9)所接收，為被測液體聲衰減與濃度關(guān)系 提供了另一指征。置于傳感器本體中央的探速超聲管換能器(10)、探速超聲管(5),內(nèi)裝標準媒質(zhì)(8) 與被測液體處于同一溫度工況中，其感知的超聲特征信息和溫度及溫致化學聲特征變化信息為第一指征和 第二指征提供參照，實現(xiàn)了媒質(zhì)在線適時差補式測量，使得用傳統(tǒng)式超聲方法測量濃度時，適應液體單一、 液型單一、液體變化曲線差異極大，線性擬合與溫度補償都十分繁雜和頭痛的難題得到了解決。
權(quán)利要求1、一種在線適時測量液體濃度的超聲波激差式液體濃度傳感器，在傳感器外殼中，同時設置Fα反射聲速換能器，F(xiàn)β衍射縱波換能器、探速超聲管換能器并與匹配電路相應電連接，其特征是Fα反射聲束與Fβ衍射縱波及內(nèi)裝標準液的探速超聲管同處在充入被測液體的傳感器腔內(nèi)，與被測液體同溫同源。
2、 如權(quán)利要求1所述的超聲波激差式液體濃度傳感器，其特征是Fa反射聲束換能器發(fā)出的聲束經(jīng)被測 液體到腔體端面反射回F a換能器，F(xiàn) e衍射縱波換能器發(fā)出的縱波也經(jīng)同一液體衰減后返回F P換能 器，以上兩種換能器分時工作，由探速超聲管隔離空化擾動。
3、 如權(quán)利要求1所述的超聲波激差式液體濃度傳感器，其特征是探速超聲管置于傳感器腔的中央，內(nèi) 裝的標準液體與被測液體溫度同源而聲束不同源。
專利摘要一種應用于工業(yè)生產(chǎn)測控領域的超聲波激差式液體濃度傳感器。它是在圓柱形的傳感器外殼中，F(xiàn)α反射聲束換能器、Fβ衍射縱波換能器，探速超聲管換能器與匹配電路相應電連接，在具有導液孔的傳感器腔內(nèi)中央設置一根內(nèi)裝標準液體的探速超聲管，測量時，傳感器腔內(nèi)充滿被測液體，利用Fα聲束在液體中的渡越特性和Fβ聲束在液體中的衰減特性作液體濃度的主體信息，采用超聲探速管隔離空化擾動并實現(xiàn)溫度同源差補，解決了公知的傳統(tǒng)濃度計無法兼容全溶型和懸浮型液體、溫度補償煩瑣的難題。濃度的主體信息和溫度同源差補信息經(jīng)匹配電路中的嵌入式微處理器作數(shù)據(jù)處理后輸出液體的濃度值。
文檔編號G01N29/02GK201170777SQ200620110898
公開日2008年12月24日 申請日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月3日
發(fā)明者穎 劉 申請人:穎 劉