專利名稱：液體濃度光電在線檢測傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及檢測傳感器，尤其涉及液體濃度光電在線檢測傳感器。
用于液體濃度檢測的機械掃描式折光儀，由光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡聚焦于測量棱鏡與被測液體的交界面上，刻有阿基米德螺線狹縫的掃描器置于兩個透鏡之間的平行光束中間，每隔壹分鐘微機發(fā)出三相脈沖波驅(qū)動步進電機并由此帶動掃描器旋轉(zhuǎn)數(shù)圈，因此平行光速穿過掃描器的狹縫周期性地掃描到棱鏡面上，然后經(jīng)棱鏡反射到硅光電池上，光電池的輸出經(jīng)放大并整形后輸出為脈沖信號。掃描光線的掃描方向為從最大入射角向最小入射角往復(fù)掃描，當(dāng)掃描光線的入射角大于全反射臨界角時對應(yīng)于光電池輸出高電平，當(dāng)掃描光線入射角小于全反射臨界角時對應(yīng)于光電池輸出低電平，該明暗交界線位置取決于全反射臨界的大小，因此光電池輸出脈沖寬度與液體折射率具有對應(yīng)關(guān)系，由此可進而求出被測液體的折射率以致其濃度。
其缺陷為①每分鐘只能測量一次，無法連續(xù)監(jiān)視和測量；②通過掃描產(chǎn)生脈沖，由脈寬計算濃度，一方面脈沖周期累積誤差影響測量精度，另一方而至少存在一個掃描周期的時間滯后，實時性差，尤其作為在線應(yīng)用更為欠缺；③掃描器機械傳動，穩(wěn)定性差，可靠度低；④在制漿造紙黑液濃度測量中只能測稀黑液，濃黑液易在其測量棱鏡表面結(jié)垢而無法應(yīng)用；⑤光電池輸出信號需經(jīng)放大和整形后才能形成脈沖信號，在此模擬信號處理過程中易產(chǎn)生信號波動和脈寬失真，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)，且抗干擾能力差，傳輸精度低。
本實用新型的目的是提供一種液體濃度光電在線檢測傳感器。
為了達到上述目的本實用新型采取下列措施，它具有傳感頭座、連接盤、散熱后蓋，傳感頭座與連接盤之間設(shè)有石棉絕熱環(huán)，連接盤通過連接環(huán)與散熱后蓋固定。在連接盤上設(shè)有照明光筒和探測光筒，照明光筒和探測光筒置于傳感頭座內(nèi)。照明光筒內(nèi)設(shè)有光源LED，轉(zhuǎn)象鏡組L1和L2，反射鏡M，光路經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)折并經(jīng)設(shè)在傳感頭座端部的測量棱鏡反射后，經(jīng)過探光筒內(nèi)的轉(zhuǎn)象光纖，成象鏡組L3和L4至CCD接收器。
本實用新型的優(yōu)點為①由于采用電荷耦合器件CCD陣列作為光電探測器來接收從測量棱鏡反射的光光圖象，把常規(guī)的反射能量強度信號檢測改為光強分布圖象的探測與分析，由此以高低電平脈沖數(shù)的分布來確定液體濃度值，避免了通常探測和放大能量強度信號時的漂移及數(shù)據(jù)采集誤差導(dǎo)致測量精度降低的缺陷，具有極強的抗干擾能力，實現(xiàn)了真抑射率的測量(而不是反射光的測量)；②為消除測量棱鏡的色散作用，采用高度發(fā)光二級管(LED)作為單色照明光源；③CCD可以工作在連續(xù)采樣狀態(tài)，故可實現(xiàn)液體濃度的連續(xù)性監(jiān)測，幾乎無時間滯和，實時性很強，完全適于在線應(yīng)用；④不需機械掃描，CCD輸出的二值化數(shù)字脈沖分布只取決于反射光斑亮暗分布，而光學(xué)系統(tǒng)的成象關(guān)系是恒定不變的，只與被測液體的折射率有關(guān)，故非常穩(wěn)定，重復(fù)性好，可靠性高；⑤傳感器頭座尖部外形設(shè)計成斜面結(jié)構(gòu)，測量棱鏡平齊安裝于斜面上，應(yīng)用于如制漿紙黑液濃度的在線測量時，黑液在流動的同時對該測量棱鏡表面具有較強的“沖刷”作用，減小鏡面結(jié)垢幾率，使測量棱鏡能長久地保持清潔狀態(tài)，從而儀表能長期地具有較高的測量精度；⑥在傳感器安裝上，設(shè)計半圓形截面的法蘭盤(一半為傳感器的一部分，另一半為安裝管座焊于測量管道上)，外加同心圓緊固環(huán)，達到快速裝卸的目的，使于清洗和維護；⑦在傳感器電子線路腔中安置了干燥盒，加上外殼的散熱設(shè)計(不要冷卻水)，充分減小液體溫度和環(huán)境濕度對測量的影響，確保光學(xué)系統(tǒng)和CCD探測器都能準(zhǔn)確而可靠地工作。
以下結(jié)合附圖
作詳細說明。
附圖是液體濃度光電在線檢測傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
整個傳感器由光學(xué)系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)和光電探測器CCD陣列等組成。光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了光學(xué)全反射條件并產(chǎn)生反射光學(xué)圖象，由電荷耦合器件CCD陣列接收反射光斑獲得濃度檢測信息，機械結(jié)構(gòu)則起了支撐、定位和保護作用。
機械結(jié)構(gòu)包括傳感頭座(3)、連接盤(9)和散熱后蓋(12)等幾個主要部件。其中安裝環(huán)(5)將傳感器與安裝管座(4)快速連接在一起，組成快速裝卸結(jié)構(gòu)，安裝管座(4)密封固定在測量管上；具有絕熱特性的石棉隔熱環(huán)(8)使傳感頭座尖部(插入被測液體中)的熱量不致傳導(dǎo)至由連接盤(9)和散熱后蓋(12)組成的電子線路腔中，保證其中的探測器可靠工作；連接環(huán)(10)則起到了固定連接盤(9)和散熱后蓋(12)的作用；由大螺釘(13)固定于散熱后蓋(12)上的干燥盒(11)主要是為了使電子線路腔保持干燥，確保探測器正常工作。照明光筒(2)用于安裝照明光路中各元件，包括光源LED(7)、轉(zhuǎn)象鏡組L1(6)和L2(21)以及反射鏡M(1)。M(1)是為了傳感器結(jié)構(gòu)布局需要用于轉(zhuǎn)折光路而設(shè)置的，L1(6)和L2(21)均為雙膠合透鏡，其將單色光源LED(7)轉(zhuǎn)換成二次光源于測量棱鏡(22)與M(1)之間，并以一定的入射角范圍照明測量棱鏡(22)，且該入射角范圍直接決定了儀器的濃度測量動態(tài)范圍。從測量棱鏡(22)反射的具有亮暗分布的光斑直接耦合進入轉(zhuǎn)象光纖(20)并傳導(dǎo)到輸出端，由于CCD接收器(14)光敏元前有平行平板保護玻璃，故光纖(20)輸出圖象無法直接耦合列CCD(14)象元，必須再由成象鏡組L3(16)和L4(15)將輸出圖象精確地成象在CCD(14)接收元面上，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。成象鏡組L3(16)和L4(15)也均為雙膠合透鏡，且與光纖(20)一起安裝于探測光筒(18)中。作為光電探測器的電荷耦合器件CCD陣列(14)在接收反射光學(xué)圖象后輸出一系列二值化數(shù)字脈沖信號，開由電子插件(17)通過電纜傳輸?shù)蕉蝺x表，根據(jù)高低電平脈沖數(shù)的分布來計算被測液體的折射率，再由折射率與濃度的關(guān)系得到所需濃度值?？紤]到在有些情況下，液體的光學(xué)折射率與濃度的關(guān)系受溫度變化的影響而存在溫度系數(shù)，故系統(tǒng)中在傳感頭座內(nèi)設(shè)計了靈敏的溫度在線探測器(19)，與通過其輸出信號的電子插件(17)相接。輸出信號傳輸?shù)蕉蝺x表，由此對測量結(jié)果實施溫度補償。
本傳感器的測量原理為液體的光學(xué)折射率是其基本物理性質(zhì)之一，而光學(xué)折射率與物質(zhì)密度有關(guān)，如百分比濃度、錘度、波美度、比重等與折射率之間都具有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。如對于一個特定的造紙廠和制漿蒸煮工藝，其黑液的濃度與其光學(xué)折射率之間成線性關(guān)系。因此，通過液體光學(xué)折射率的測試即可達到檢測液體濃度的目的。
根據(jù)光學(xué)反射與折射原理，當(dāng)光線的光密介質(zhì)(折射率為np)射入光疏介質(zhì)(折射率為n)時，如果其入射角大于全反射臨界角θc，則發(fā)生光學(xué)全反射現(xiàn)象，且θc=arcsinnnp]]>在流體濃度光電在線檢測傳感器設(shè)計中，采用高折射率的白寶石材料的棱鏡作為光密介質(zhì)(np＝1.7569)，光疏介質(zhì)即為被測液體(n)。由于np恒定不變，n隨流體濃度而變化，故θc也隨之變化；又由于入射界面的光速中既有入射角大于θc的光線，其在測量棱鏡與液體交界面上全反射后形成亮斑區(qū)，又有入射角小于θc的光線，其部分反射后形成暗斑區(qū)，兩者的分界線對應(yīng)于入射角等于θc的光線。因此，當(dāng)被測流體濃度變化引起θc變化時將導(dǎo)致反射光斑亮暗分布的變化，且其分界線位置與液體折射率一一對應(yīng)。只要測出該分界線的位置即可知被測液體的折射率，于是便可進而計算出該被測液體的濃度。
權(quán)利要求1.一種液體濃度光電在線檢測傳感器，其特征在于它具有傳感頭座(3)、連接盤(9)、散熱后蓋(12)，傳感頭座與連接盤之間設(shè)有石棉絕熱環(huán)(8)，連接盤通過連接環(huán)(10)與散熱后蓋固定，在連接盤上設(shè)有照明光筒(2)和探測光筒(18)，照明光筒和探測光筒置于傳感頭座內(nèi)，照明光筒內(nèi)設(shè)有光源LED(7)，轉(zhuǎn)象鏡組L1(6)和L2(21)，反射鏡M(1)，光路經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)折并經(jīng)設(shè)在傳感頭座端部的測量棱鏡(20)反射后，經(jīng)探測光筒內(nèi)的轉(zhuǎn)象光纖(20)，成象鏡組L3(16)和L4(15)，至CCD接收器(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種液體濃度光電在線檢測傳感器，其特征在于所說的傳感頭座內(nèi)設(shè)有溫度在線探測器(19)，并與電子接插件(17)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種液體濃度光電在線檢測傳感器，其特征在于在所設(shè)的散熱后蓋設(shè)有干燥盒(11)并用大螺釘(13)固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種液體濃度光電在線檢測傳感器其特征在于所說的轉(zhuǎn)象鏡組L1(6)和L2(21)及成象鏡組L3(16)和L4(15)為雙膠合透鏡。
專利摘要本實用新型公開了一種液體濃度光電在線檢測傳感器。它具有傳感頭座、連接盤、散熱后蓋,傳感頭座與連接盤之間設(shè)有石棉絕熱環(huán),連接盤通過連接環(huán)與散熱后蓋固定。在連接盤上設(shè)有照明光筒和探測光筒,照明光筒和探測光筒置于傳感頭座內(nèi)。照明光筒內(nèi)設(shè)有光源LED,轉(zhuǎn)象鏡組L1和L2,反射鏡M,光路經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)折并經(jīng)設(shè)在傳感頭座端部的測量棱鏡反射后,經(jīng)探測光筒內(nèi)的轉(zhuǎn)象光纖,成象鏡組L3和L4至CCD接收器。本實用新型無時間滯后,實時性強,穩(wěn)定,重復(fù)性好,可靠性高。
文檔編號G01N21/47GK2279604SQ96208109
公開日1998年4月22日 申請日期1996年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月25日
發(fā)明者徐海松, 孫優(yōu)賢 申請人:浙江大學(xué)