一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置制造方法
【專利摘要】一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置，屬于測量【技術領域】，其特征在于是一種將傳感器設計成根據電容信號、壓差信號與溫度信號三種信號分別測量乳化液濃度、液位與溫度的三重功能一體化結構的測量裝置。該裝置解決了現有的測量乳化液濃度、液位與溫度裝置存在的弊端，可廣泛適用于乳化液濃度、液位與溫度測量有嚴格要求的各種重要場合，具有可靠性高、結構緊湊、安裝方便、價格便宜等優點。
【專利說明】一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置，屬于測量【技術領域】，具體涉及一種將傳感器設計成根據電容信號、壓差信號與溫度信號三種信號分別測量乳化液濃度、液位與溫度的三重功能一體化結構的測量裝置。適用于對乳化液濃度、液位與溫度測量有嚴格要求的各種重要場合，具有可靠性高、結構緊湊、安裝方便等優點。
【背景技術】
[0002]乳化液是國內外煤礦液壓支架和液壓支柱所采用的工作介質。乳化液由乳化油和水按嚴格的比例配制，其濃度是評價乳化液性能的一個重要指標。傳統測量乳化液濃度的傳感器種類很多，主要有光學折射式、光學混濁度式、超聲波時差式、超聲波衰減式及電容式等乳化液濃度測量傳感器。測量乳化液液位的傳感器種類也很多，主要有浮球式、電容式、磁性式與投入式等乳化液液位傳感器。國內現存的乳化液自動配比裝置對所配制的乳化液濃度、液位與溫度進行在線監測和實時監控所用的傳感器都是各自獨立，這給生產實際中的安裝操作、人員使用帶來一定的不便，價格也相對較高。
【發明內容】
[0003]本發明一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置，其目的在于解決現有的測量乳化液濃度、液位與溫度裝置存在的弊端，公開一種將傳感器設計成根據電容信號、壓差信號與溫度信號三種信號分別測量乳化液濃度、液位與溫度的三重功能一體化結構測量裝置的技術方案。適用于乳化液濃度、液位與溫度測量有嚴格要求的各種重要場合，具有測量精度高、量程范圍大、結構簡單緊湊、安裝方便、價格便宜等優點。
[0004]本發明一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置，其特征在于是一種將傳感器設計成根據電容信號、壓差信號與溫度信號三種信號分別測量乳化液濃度、液位與溫度的三重功能一體化結構的測量裝置，其整套裝置由傳感器和電路兩部分組成，所述的傳感器部分由同軸圓柱電容探頭外電極1、同軸圓柱電容探頭內電極頂部2、環氧樹脂3、第一環形密封圈4、同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5、同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6、第二環形密封圈7、壓力敏感器件8、壓力變送器9、電纜10、導氣管11、溫度傳感器12、第三環形密封圈13、第四環形密封圈14、同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋15和聚四氟乙烯涂層19組成，其中同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6構成同軸圓柱電容探頭內電極，同軸圓柱電容探頭外電極I和同軸圓柱電容探頭內電極為同軸圓柱形狀，均采用不銹鋼材質，同軸圓柱電容探頭外電極I上均勻開有兩個直槽口 16，便于動態乳化液濃度的測量，同軸圓柱電容探頭外電極I的內壁位于直槽口 16上方帶有環狀卡臺20，同軸圓柱電容探頭內電極頂部2與環狀卡臺20之間由第二環形密封圈7隔開，將環氧樹脂3澆注在同軸圓柱電容探頭內電極頂部2與同軸圓柱電容探頭外電極I之間的縫隙處，以固定同軸圓柱電容探頭內電極，同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6采用螺紋連接方式連接在一起，壓力敏感器件8通過第三環形密封圈13和第四環形密封圈14卡在同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6之間，并與同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6形成壓力腔17，同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6四周均勻對稱開四個導流孔18，以便乳化液能夠順暢地進入壓力腔17而對壓力敏感器件8形成壓力，可變電容21的一個極為同軸圓柱電容探頭外電極1，另一個極為同軸圓柱電容探頭內電極，為了防止兩個電極之間測量液體時短路，在同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5外表面、同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6外表面、壓力腔17四周和導流孔18內壁均涂有一層聚四氟乙烯涂層19作為同軸圓柱電容探頭內外電極之間的絕緣介質，因此可變電容21兩極之間的介質為聚四氟乙烯涂層19和乳化液，當乳化液濃度發生變化時，乳化液的相對介電常數會隨之變化，從而導致可變電容21的電容值變化，所以通過測量可變電容21的電容值即可實現乳化液濃度的精確測量；壓差式液位傳感器由感應和變送兩部分組成，感應部分使用一個壓力敏感器件8，壓力敏感器件8是利用單晶硅的壓阻效應原理制成的，采用微電子工藝在彈性膜片上形成4個應變電阻，組成一個惠斯通電橋，當單晶硅彈性膜片上受到壓力作用時會輸出一個與被測壓力成一定比例關系的毫伏級模擬電壓信號，壓力敏感器件8和壓力變送器9連接在一起，壓力變送器9安裝在同軸圓柱電容探頭內電極頂部2的上面，將電纜10插入同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋15中心孔并用密封膠固定，電纜10選用專用帶有導氣管的六芯絕緣電纜，其長度由待測液位深度確定，電纜10最外層為聚氯乙烯層，最里邊為六芯導線和導氣管11，導氣管11可以使壓力敏感器件8背壓直通大氣，電纜10中的其中二芯導線和可變電容21的兩個電極連接，另外二芯導線和壓力變送器9連接，其余二芯導線和溫度傳感器12連接，溫度傳感器12緊貼在壓力敏感器件8上，第一環形密封圈4、第二環形密封圈7、第三環形密封圈13和第四環形密封圈14均選用橡膠密封圈，保證同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋15、同軸圓柱電容探頭外電極1、同軸圓柱電容探頭內電極頂部2、同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6組裝固定后，依靠密封作用，乳化液不會在壓力的作用下滲入同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5與壓力敏感器件8形成的空腔；所述電路部分由單片機30、電容電壓轉換電路22、第一低通濾波電路23、第一 A/D轉換電路24、第二低通濾波電路25、第二 A/D轉換電路26、溫度電阻轉換電路27、溫度變送電路28及第三A/D轉換電路29組成，其中可變電容21、電容電壓轉換電路22、第一低通濾波電路23和第一 A/D轉換電路24組成電容信號測量系統，可變電容21的電容信號，經電容電壓轉換電路22轉換成電壓信號，送至第一低通濾波電路23進行濾波處理，通過第一 A/D轉換電路24轉換成數字信號送至單片機30，由單片機30通過計算得出乳化液的濃度；壓力敏感器件8、壓力變送器9、第二低通濾波電路25和第二A/D轉換電路26組成壓差信號測量系統，壓力敏感器件8輸出mV級模擬信號，經壓力變送器9放大至V級模擬信號，送至第二低通濾波電路25進行濾波處理，再由第二 A/D轉換電路26轉換成數字信號送至單片機30，由單片機30通過計算得出乳化液的液位；溫度傳感器12、溫度電阻轉換電路27、溫度變送電路28和第三A/D轉換電路29組成乳化液溫度測量系統，溫度傳感器12的溫度信號經溫度電阻轉換電路27輸出電阻信號，經溫度變送電路28放大處理，送至第三A/D轉換電路29換成數字信號送至單片機30，測量出乳化液溫度。
[0005]本發明一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置的優點在于:
1、將傳感器設計成根據電容信號、壓差信號與溫度信號三種信號分別測量乳化液濃度、液位與溫度的三重功能一體化。
[0006]2、廣泛適用于對乳化液濃度、液位與溫度測量有嚴格要求的各種重要場合，
3、具有可靠性高、結構緊湊、安裝方便等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置結構示意圖1.同軸圓柱電容探頭外電極 2.同軸圓柱電容探頭內電極頂部 3.環氧樹脂
4.第一環形密封圈 5.同軸圓柱電容探頭內電極上殼體 6.同軸圓柱電容探頭內電極下殼體7.第二環形密封圈8.壓力敏感器件9.壓力變送器10.電纜11.導氣管
12.溫度傳感器13.第三環形密封圈14.第四環形密封圈15.同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋16.直槽口 17.壓力腔18.導流孔19.聚四氟乙烯涂層 20.環狀卡臺圖2乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置測量原理圖
21.可變電容 22.電容電壓轉換電路 23.第一低通濾波電路24.第一 A/D轉換電路 25.第二低通濾波電路 26.第二 A/D轉換電路 27.溫度電阻轉換電路28.溫度變送電路 29.第三A/D轉換電路30.單片機。
具體實施方案
[0008]實施方式1:
下面結合附圖1和附圖2進一步說明采用本發明一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置在乳化液自動配比裝置對所配制的乳化液箱中的乳化液濃度、液位與溫度進行在線監測和實時監控中的應用，以及本發明測量的工作原理。
[0009]按照附圖1將同軸圓柱電容探頭外電極1、同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋15、第一環形密封圈4、同軸圓柱電容探頭內電極頂部2、同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5、同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6、壓力敏感器件8、壓力變送器9、電纜10、溫度傳感器12、第二環形密封圈7、第三環形密封圈13和第四環形密封圈14組成一體化傳感器，在同軸圓柱電容探頭外電極I和同軸圓柱電容探頭內電極頂部2之間澆注環氧樹脂3以防止乳化液在壓力的作用下滲入同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5與壓力敏感器件8所構成的空腔，同時須保證導氣管11與大氣暢通，可變電容21的一個電極為同軸圓柱電容探頭外電極1，另一個電極為由同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6構成的同軸圓柱電容探頭內電極，同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5外表面、同軸圓柱電容探頭內電極下殼體6外表面、壓力腔17四周和導流孔18內壁均涂有一層聚四氟乙烯涂層19作為同軸圓柱電容探頭內外電極之間的絕緣介質，防止可變電容21兩個電極之間短路。
[0010]按照附圖2將可變電容21與電容電壓轉換電路22連接，將與壓力敏感器件8連接的壓力變送器9與第二低通濾波電路25連接，將溫度傳感器12與溫度電阻轉換電路27連接。通過乳化液的等效介電常數f作為中間變量建立的乳化液濃度和電容值之間的關系'C二f (O,o, ew, α)，式中，L是純乳化油的介電常數，^是純水的介電常數，a是乳化液濃度，可得乳化液濃度a 二 gl[ ε ο, ρ / ―1 (C)]，將乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置投入到乳化液箱底，壓力敏感器件8受到壓力為fP ?fA+zv式中/7為壓力敏感器件迎液面所受到壓力，P為乳化液密度?為當地重力加速度,A1為液面上大氣壓，h為乳化液液位，由于導氣管11將乳化液液面上的大氣壓A1引至同軸圓柱電容探頭內電極上殼體5與壓力敏感器件8所構成的空腔抵消了壓力敏感器件8所受壓力中的/V使得壓差傳感器測得的壓力為因此，通過壓差傳感器測得的壓力即可得到與之成正比的乳化液的液位力。
[0011]1.標定過程:
組裝完成后，將一體化傳感器放在空氣中，對空氣進彳了標定，完成后將一體化傳感器探頭浸沒在純水中，對純水進行標定，兩次的標定結果都由單片機30采集并存于單片機30中，標定的作用是消除系統開始的零點漂移和便于計算純乳化油的介電常數L以及乳化液的等效介電常數f，將一體化傳感器探頭浸沒在純乳化油中，標定得到純乳化油的介電常數L存于單片機30中。然后將一體化傳感器沉入乳化液箱底部，將傳感器底部朝下保持直立，電纜10拉直固定，首先調零校準，讓乳化液箱進少量乳化液淹沒一體化傳感器頭部，通電后壓差信號測量系統的第二 A/D轉換電路26輸出一個電壓值，由單片機30采集并存入單片機30，乳化液箱儲滿乳化液時，壓差信號測量系統的第二 A/D轉換電路26輸出另一個電壓值，由單片機30采集并存入單片機30。校驗過程結束。
[0012]2.測量過程:
一體化傳感器測量裝置探頭沉入乳化液箱底部，將傳感器底部朝下保持直立，電纜10拉直固定，電纜10的長度根據待測液位高度確定，乳化液流入同軸圓柱電容探頭的空腔體與同軸圓柱電容探頭外電極I及聚四氟乙烯涂層19接觸，乳化液的相對介電常數隨著乳化液的濃度而變化，相對介電常數的變化就導致可變電容21的電容值變化，單片機采回可變電容21的電容值C，由乳化液的等效介電常數ε作為中間變量建立的乳化液濃度和電容值C之間的關系可得乳化液濃度a 二 g-\e o, f P / ―1^)]，乳化液箱底部的壓力敏感器件8受到乳化液的壓力，輸出mV級模擬信號，經壓力變送器9放大至V級模擬信號，送至第二低通濾波電路25進行濾波處理，再由第二 A/D轉換電路26換成數字信號送至單片機30處理得到乳化液液位值，溫度傳感器12的溫度信號經溫度電阻轉換電路27輸出電阻信號，經溫度變送電路28放大處理，送至第三A/D轉換電路29轉換成數字信號送至單片機30處理得到乳化液溫度值，并根據所測溫度補償溫度對乳化液濃度測量結果造成的偏差。
【權利要求】
1.一種乳化液濃度、液位與溫度一體化測量裝置，其特征在于是一種將傳感器設計成根據電容信號、壓差信號與溫度信號三種信號分別測量乳化液濃度、液位與溫度的三重功能一體化結構的測量裝置，其整套裝置由傳感器和電路兩部分組成，所述的傳感器部分由同軸圓柱電容探頭外電極(I)、同軸圓柱電容探頭內電極頂部(2)、環氧樹脂(3)、第一環形密封圈(4)、同軸圓柱電容探頭內電極上殼體(5)、同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)、第二環形密封圈(7)、壓力敏感器件(8)、壓力變送器(9)、電纜(10)、導氣管(11)、溫度傳感器(12)、第三環形密封圈(13)、第四環形密封圈(14)、同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋(15)和聚四氟乙烯涂層(19)組成，其中同軸圓柱電容探頭內電極上殼體(5)和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)構成同軸圓柱電容探頭內電極，同軸圓柱電容探頭外電極(I)和同軸圓柱電容探頭內電極為同軸圓柱形狀，均采用不銹鋼材質，同軸圓柱電容探頭外電極(I)上均勻開有兩個直槽口(16)，同軸圓柱電容探頭外電極(I)的內壁位于直槽口(16)上方帶有環狀卡臺(20),同軸圓柱電容探頭內電極頂部(2)與環狀卡臺(20)之間由第二環形密封圈(7)隔開，將環氧樹脂(3)澆注在同軸圓柱電容探頭內電極頂部(2)與同軸圓柱電容探頭外電極(I)之間的縫隙處，同軸圓柱電容探頭內電極上殼體(5)和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)采用螺紋連接方式連接在一起，壓力敏感器件(8)通過第三環形密封圈(13)和第四環形密封圈(14)卡在同軸圓柱電容探頭內電極上殼體(5)和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)之間，并與同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)形成壓力腔(17)，同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)四周均勻對稱開四個導流孔(18)，以便乳化液能夠順暢地進入壓力腔(17)而對壓力敏感器件(8)形成壓力，可變電容(21)的一個極為同軸圓柱電容探頭外電極(I)，另一個極為同軸圓柱電容探頭內電極，在同軸圓柱電容探頭內電極上殼體(5 )外表面、同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)外表面、壓力腔(17)四周和導流孔(18)內壁均涂有一層聚四氟乙烯涂層(19)作為同軸圓柱電容探頭內外電極之間的絕緣介質，因此可變電容(21)兩極之間的介質為聚四氟乙烯涂層(19)和乳化液，當乳化液濃度發生變化時，乳化液的相對介電常數會隨之變化，從而導致可變電容(21)的電容值變化；壓差式液位傳感器由感應和變送兩部分組成，感應部分使用一個壓力敏感器件(8)，壓力敏感器件(8)和壓力變送器(9)連接在一起，壓力變送器(9)安裝在同軸圓柱電容探頭內電極頂部(2)的上面，將電纜(10)插入同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋(15)中心孔并用密封膠固定，電纜(10)選用專用帶有導氣管的六芯絕緣電纜，其長度由待測液位深度確定，電纜(10)最外層為聚氯乙烯層，最里邊為六芯導線和導氣管(11)，導氣管(11)可以使得壓力敏感器件(8)背壓直通大氣，電纜(10)的其中二芯導線和可變電容(21)的兩個電極連接，另外二芯導線和壓力變送器(9)連接，其余二芯導線和溫度傳感器(12)連接，溫度傳感器(12)緊貼在壓力敏感器件(8)上，第一環形密封圈(4)、第二環形密封圈(7)、第三環形密封圈(13)和第四環形密封圈(14)均選用橡膠密封圈，保證同軸圓柱電容探頭外電極頂蓋(15)、同軸圓柱電容探頭外電極(I)、同軸圓柱電容探頭內電極頂部(2)、同軸圓柱電容探頭內電極上殼體(5)和同軸圓柱電容探頭內電極下殼體(6)組裝固定后，依靠密封作用，乳化液不會在壓力的作用下滲入同軸圓柱電容探頭內電極上殼體(5)與壓力敏感器件(8)形成的空腔；所述電路部分由單片機(30)、電容電壓轉換電路(22)、第一低通濾波電路(23)、第一 A/D轉換電路(24)、第二低通濾波電路(25)、第二 A/D轉換電路(26)、溫度電阻轉換電路(27)、溫度變送電路(28)及第三A/D轉換電路(29)組成，其中可變電容(21)、電容電壓轉換電路(22)、第一低通濾波電路(23)和第一 A/D轉換電路(24)組成電容信號測量系統，可變電容(21)的電容信號，經電容電壓轉換電路(22 )轉換成電壓信號，送至第一低通濾波電路(23 )進行濾波處理，通過第一 A/D轉換電路(24 )轉換成數字信號送至單片機(30 )，由單片機(30 )通過計算得出乳化液的濃度；壓力敏感器件(8)、壓力變送器(9)、第二低通濾波電路(25)和第二 A/D轉換電路(26)組成壓差信號測量系統，壓力敏感器件(8)輸出mV級模擬信號，經壓力變送器(9)放大至V級模擬信號，送至第二低通濾波電路(25)進行濾波處理，再由第二A/D轉換電路(26)換成數字信號送至單片機(30)，由單片機(30)通過計算得出乳化液的液位；溫度傳感器(12)、溫度電阻轉換電路(27)、溫度變送電路(28)和第三A/D轉換電路(29)組成乳化液溫度測量系統，溫度傳感器(12)的溫度信號經溫度電阻轉換電路(27)輸出電阻信號，經溫度變送電路(28 )放大處理，送至第三A/D轉換電路(29 )轉換成數字信號送至單片機(30)，測量出乳化液溫度。
【文檔編號】G01D21/02GK104197992SQ201410473155
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】靳寶全, 余輝, 高妍, 王東, 張紅娟, 喬鐵柱, 劉昕 申請人:太原理工大學