專利名稱：一種復(fù)合傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及液體多參數(shù)檢測領(lǐng)域，特別是一種高精度的用于在線檢測液體 (如油品)液位、密度和溫度的復(fù)合傳感器。
背景技術(shù)：
在成品油運(yùn)輸流通行業(yè)，跑、冒、滴、漏、偷等情況時有發(fā)生，給相關(guān)公司造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。為減小運(yùn)輸過程中的人為損耗，實(shí)時監(jiān)測油品品質(zhì)和數(shù)量，急需在油罐車上安裝專用傳感器和車載監(jiān)控系統(tǒng)，在線檢測油品液位、密度和溫度，及時處理數(shù)據(jù)，從而有效監(jiān)測運(yùn)輸過程中油品總量的變化，對異常情況進(jìn)行報警，加強(qiáng)油品運(yùn)輸過程監(jiān)管工作。目前液位測量技術(shù)較為成熟，適用于油品高精度測量的主要有磁致伸縮液位計(jì)、 伺服式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等。雷達(dá)液位計(jì)只能測量單一液面，不能測量界面與溫度，更無法測量密度。伺服式液位計(jì)可以測量液位、密度和溫度，測量精度較高，但其基于伺服式電機(jī)原理，屬于機(jī)械、電子結(jié)合類產(chǎn)品，調(diào)試安裝復(fù)雜，且價格高昂，主要應(yīng)用于大庫區(qū)大儲罐，并不適合于車載小型油罐測量。磁致伸縮液位計(jì)屬于浮子式液位計(jì)，適用于低粘度液體測量，可以同時測量液面、界面和溫度，相比同等精度液位計(jì)價格較低。密度測量方面也有不少成型產(chǎn)品，常見的為靜壓式和振弦式在線密度計(jì)，密度測量精度可達(dá)到0. 001g/cm3，但僅能測量密度和溫度，不能同時測量液位。專利號為“ZL03212M6”，名稱為“液體液位、密度、溫度傳感器”的中國實(shí)用新型專利公開的液位、密度、溫度傳感器，由密度浮子與浮桿固定在一起構(gòu)成密度測量元件，密度浮子為空心球形的磁性浮子，浮桿為雙體浮桿或柱形面浮桿。該結(jié)構(gòu)的密度測量元件的重心極可能高于其浮心，使之無法在液體中保持自然豎直平衡狀態(tài)，從而傾靠在測桿上與之產(chǎn)生摩擦力，嚴(yán)重影響密度測量精度。此外，未就如何根據(jù)浮子間距計(jì)算密度提供相關(guān)資料。申請?zhí)枮椤?0105004”，名稱為“液體液位、密度及質(zhì)量的測量儀”的中國發(fā)明專利
申請所公開的液體液位、密度和質(zhì)量的測量儀，由圓柱形密度浮子與平衡管共同構(gòu)成密度測量元件，通過測量密度浮子與液位浮子的間距計(jì)算液體密度。該申請?jiān)诮Y(jié)構(gòu)上同樣存在上述問題。同時，其公開的密度計(jì)算公式為pt = PfAt2XVXK,其中Pt為液體瞬時密度值，Ptl為密度浮子處于零點(diǎn)時的液體密度值，應(yīng)為液面浮子與密度浮子返回脈沖的時間差，V為脈沖沿波導(dǎo)管傳播的速度，K為密度轉(zhuǎn)換系數(shù)。該公式認(rèn)為液體密度與浮子間距的變化呈線性正比關(guān)系。而實(shí)際上，根據(jù)阿基米德原理，F(xiàn)ff= P agVft(h)，其中，F(xiàn)ff為浮子所受浮力，P 為液體密度，g為重力常數(shù)。Vft (h)為浮子排開的液體的體積，是浮子浸沒深度h的函數(shù)，h近似等于液位浮子與密度浮子的間距At2XV。顯然，液體密度與浮子間距的變化呈近似反比關(guān)系(因液位浮子浸沒深度同樣隨液體密度變化，所以僅為近似)，僅靠一個簡單的系數(shù)K來計(jì)算瞬時密度，將其關(guān)系默認(rèn)為線性正比，將導(dǎo)致明顯的非線性誤差， 無法保證高精度測量。另外，專利號為“ZL201020171364.3”，名稱為“數(shù)字式磁致伸縮液位傳感器”的中國實(shí)用新型專利，僅能測量液位和溫度，無法同時測量液體的密度。因此，現(xiàn)有技術(shù)中基于磁致伸縮原理的液體液位、密度和溫度測量方法，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密度計(jì)算方面，均存在一些不足，不利于實(shí)現(xiàn)高精度的液位、密度和溫度測量。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種高分辨率高精度的、能夠同時在線檢測液體液位、密度和溫度的復(fù)合型傳感器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種復(fù)合傳感器，其中，包括一測桿，包括底端密封的中空外管，所述外管內(nèi)有波導(dǎo)絲，所述波導(dǎo)絲外設(shè)置有用于保護(hù)該波導(dǎo)絲不受損壞的保護(hù)套管；一電子倉，與所述測桿的一端連接；一液位浮子，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述液位浮子自由套裝于所述測桿的外
管上；一密度浮子，設(shè)置于所述液位浮子下方，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述密度浮子自由套裝于所述測桿的外管上；一溫度傳感器，設(shè)置在所述測桿內(nèi)并安裝在所述保護(hù)套管上，與所述電子倉電性連接。上述的復(fù)合傳感器，其中，所述的密度浮子包括浮筒，所述浮筒內(nèi)部固定有永久磁環(huán)；用于調(diào)節(jié)所述密度浮子的比重的配重塊，所述配重塊連接在所述浮筒下方；用于避免與所述液位浮子干涉的密度測桿，與所述浮筒頂端連接，所述液位浮子設(shè)置在所述密度測桿的行程范圍內(nèi)。上述的復(fù)合傳感器，其中，所述密度測桿為至少兩個薄壁圓管，所述薄壁圓管通過支架相互固定并連接在所述浮筒上。上述的復(fù)合傳感器，其中，所述密度測桿為三根兩端密封的薄壁圓管。上述的復(fù)合傳感器，其中，所述三根薄壁圓管兩端分別通過所述支架相互固定，其中一端通過所述支架連接在所述浮筒上。上述的復(fù)合傳感器，其中，所述浮筒為不銹鋼長圓柱形空心結(jié)構(gòu)。上述的復(fù)合傳感器，其中，所述浮筒為橡膠圓柱形實(shí)心結(jié)構(gòu)。上述的復(fù)合傳感器，其中，所述電子倉包括一敏感元件頭，與所述波導(dǎo)絲電性連接；一電路板，包括一激勵電路，與所述波導(dǎo)絲電性連接；—信號處理電路，與所述敏感元件頭電性連接；一時間測量電路，與所述信號處理電路連接；一單片機(jī)，分別與所述時間測量電路、所述激勵電路及所述溫度傳感器電性連接；一通信電路，與所述單片機(jī)電性連接。上述的復(fù)合傳感器，其中，還包括一用于防止所述液位浮子及所述密度浮子從所述外管上脫落的卡環(huán)，所述卡環(huán)固定在所述外管的底端。本實(shí)用新型的有益功效在于可以對液體的多項(xiàng)參數(shù)(液位、密度和溫度)實(shí)現(xiàn)低成本、高精度高分辨率的在線測量，還可進(jìn)一步由上位機(jī)結(jié)合儲罐容積表計(jì)算液體體積和質(zhì)量。不僅可用于加油站、石油化工行業(yè)，由于其不銹鋼外管、浮子均采用不銹鋼材料，無毒無害，還可應(yīng)用于醫(yī)藥、食品飲料加工等行業(yè)。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本實(shí)用新型的限定。

[0034]圖1為本實(shí)用新型一 實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；[0035]圖2為圖1的A-A剖視示意圖；[0036]圖3為本實(shí)用新型一 實(shí)施例的密度浮子結(jié)構(gòu)示意圖[0037]圖4為本實(shí)用新型另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；[0038]圖5為本實(shí)用新型一 實(shí)施例的電路模塊工作波形示[0039]圖6為本實(shí)用新型一 實(shí)施例的工作原理框圖。[0040]其中，附圖標(biāo)記[0041]1測桿11波導(dǎo)絲[0042]12保護(hù)套管13外管[0043]2電子倉21敏感元件頭[0044]22電路板221信號處理電路[0045]222激勵電路223時間測量電路[0046]224通信電路225單片機(jī)[0047]3液位浮子4密度浮子[0048]41密度測桿42浮筒[0049]43配重塊44支架[0050]45螺釘5溫度傳感器[0051]6輸出電纜及接頭7卡環(huán)[0052]8上位機(jī)M激勵脈沖[0053]A回波1B回波具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述參見圖1、圖2及圖4，圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1的 A-A剖視示意圖，圖4為本實(shí)用新型另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)用新型的復(fù)合傳感器， 包括測桿1，該測桿1包括底端密封的中空外管13，該外管13優(yōu)選為不銹鋼材料件，所述外管13內(nèi)有波導(dǎo)絲11，波導(dǎo)絲11為敏感元件，所述波導(dǎo)絲11外設(shè)置有用于保護(hù)該波導(dǎo)絲 11不受損壞的保護(hù)套管12 ；電子倉2，與所述測桿1的一端連接，該電子倉2的頂端安裝有輸出電纜及接頭6 ；液位浮子3，液位浮子3優(yōu)選為不銹鋼空心浮球，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述液位浮子3自由套裝于所述測桿1的外管13上；密度浮子4，設(shè)置于所述液位浮子3下方，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述密度浮子4自由套裝于所述測桿1的外管13上；溫度傳感器5，設(shè)置在所述測桿1內(nèi)并安裝在所述保護(hù)套管12上，與所述電子倉2電性連接。 本實(shí)施例中，該溫度傳感器5粘貼在保護(hù)套管12外表面，用于測量液體內(nèi)部溫度。液位浮子3與密度浮子4中心均開有通孔，套在不銹鋼外管13上，隨液體液位或密度的變化而上下自由浮動。該復(fù)合傳感器還可包括一用于防止所述液位浮子3及所述密度浮子4從所述外管13上脫落的卡環(huán)7，所述卡環(huán)7固定在所述外管13的底端。參見圖3，圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施例的密度浮子結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例中，該密度浮子4包括浮筒42，所述浮筒42內(nèi)部固定有永久磁環(huán)；用于調(diào)節(jié)所述密度浮子4的比重的配重塊43，所述配重塊43連接在所述浮筒42下方，本實(shí)施例中通過螺紋連接固定在浮筒42上；用于避免與所述液位浮子3干涉的密度測桿41，與所述浮筒42頂端連接，所述液位浮子3設(shè)置在所述密度測桿41的行程范圍內(nèi)。本實(shí)施例中，所述密度測桿41可為至少兩個薄壁圓管，所述薄壁圓管通過支架44相互固定并連接在所述浮筒42上。優(yōu)選所述密度測桿41為三根兩端密封的薄壁圓管，通過支架44和螺釘45相互固定并焊接在不銹鋼浮筒42上。所述三根薄壁圓管兩端可分別通過所述支架44相互固定，其中一端通過所述支架44連接在所述浮筒42上。其中，所述浮筒42可為不銹鋼長圓柱形空心結(jié)構(gòu)(參見圖 1)或橡膠圓柱形實(shí)心結(jié)構(gòu)(參見圖4)。由于密度浮子4上部設(shè)計(jì)為比重低于液體的不銹鋼浮筒42和密度測桿41，而底部為比重較大的配重塊43，整個密度浮子4為上輕下重的軸對稱結(jié)構(gòu)，重心遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其浮心， 因而能夠自然垂直漂浮于油品中，避免與外管13產(chǎn)生摩擦影響測量精度。此外，為保證密度浮子4能夠自然垂直漂浮于液體中，還需要在加工和裝配工藝上保證浮子的對稱性，使其浮心與重心在同一鉛垂線上。參見圖6，圖6為本實(shí)用新型一實(shí)施例的工作原理框圖。本實(shí)施例中，所述電子倉 2包括敏感元件頭21，與所述波導(dǎo)絲11電性連接；電路板22，包括激勵電路222，與所述波導(dǎo)絲11電性連接；信號處理電路221，與所述敏感元件頭21電性連接；時間測量電路 223，與所述信號處理電路221連接；單片機(jī)225，分別與所述時間測量電路223、所述激勵電路222及所述溫度傳感器5電性連接；通信電路224，與所述單片機(jī)225電性連接。其工作原理為單片機(jī)225控制周期脈沖電流發(fā)生器產(chǎn)生激勵脈沖M電流，波導(dǎo)絲11因磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，敏感元件頭21拾取到回波信號，然后進(jìn)行信號濾波和放大處理，時間測量電路223對激勵脈沖M與返回脈沖A，B的時間間隔進(jìn)行測量，由單片機(jī)225進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過通信電路2M輸出相應(yīng)的液位、密度和溫度。本實(shí)用新型優(yōu)選采用485輸出方式， 與上位機(jī)8進(jìn)行數(shù)據(jù)上報和通訊工作。此外，為了實(shí)現(xiàn)高精度高分辨率測量，本實(shí)用新型優(yōu)選采用高精度時間測量芯片TDC-GP2，時間測量分辨率最高可達(dá)50ps，本實(shí)用新型液位測量分辨率可以達(dá)到lOum，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有產(chǎn)品(IOOum)。本實(shí)用新型通過測量扭轉(zhuǎn)波脈沖與激勵脈沖M的時間間隔計(jì)算浮子的位置；參見圖5，圖5為本實(shí)用新型一實(shí)施例的電路模塊工作波形示意圖。上電后，單片機(jī)225發(fā)出一激勵脈沖M電流，該電流以光速沿波導(dǎo)絲11傳播，在波導(dǎo)絲11周圍產(chǎn)生環(huán)形脈沖電磁場。 脈沖電流磁場分別與液位浮子3及密度浮子4的磁環(huán)產(chǎn)生的縱向磁場疊加，形成一個螺旋形磁場。由于磁致伸縮效應(yīng)，該部位的波導(dǎo)絲11產(chǎn)生扭曲形變，生成一個扭轉(zhuǎn)波脈沖。這個扭轉(zhuǎn)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲11傳回到電子倉2內(nèi)的敏感元件頭21，再經(jīng)信號處理電路221將機(jī)械扭力波轉(zhuǎn)換為可用電信號。當(dāng)波導(dǎo)絲11上的不同位置分別放有液位浮子 3和密度浮子4時，就會產(chǎn)生兩個回波界面。電流以光速傳遞，因而從發(fā)射端到磁浮子之間電流傳遞時間可以忽略不計(jì)。通過時間測量電路223精確測量激勵脈沖M與扭轉(zhuǎn)波的時間間隔(tl，t2)，即可以分別確定液位浮子3和密度浮子4所在的位置(L1，L2)。通過定時發(fā)送激勵脈沖M,就能實(shí)時檢測液位浮子3和密度浮子4的位置變化。本實(shí)用新型密度測量基于阿基米德原理，即密度浮子4在液體中平衡時，排開液體的重量等于其自身的重量。密度浮子4質(zhì)量一定，浸沒在液體中的深度變化即反應(yīng)了液體密度的變化。通過設(shè)計(jì)密度浮子4結(jié)構(gòu)，結(jié)合調(diào)節(jié)配重塊43的配重，將傳感器的密度測量范圍固定在特定區(qū)間內(nèi)。當(dāng)液體密度變大時，密度浮子4將上浮一定的距離；當(dāng)液體密度變小時，密度浮子4則又會下沉一定的距離。密度浮子4與液位浮子3之間的距離與液體的密度呈一一對應(yīng)卻并非線性的關(guān)系，通過精密的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和數(shù)據(jù)擬合，以浮子間距Ah 為自變量，液體密度P為函數(shù)，利用三次多項(xiàng)式擬合對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到浮子間距與液體密度的標(biāo)定關(guān)系式P =K3(Ah) 3+Κ2 ( Δ h) ^K1 ( Δ h) +K05K0-K3為擬合所得參數(shù)，即可根據(jù)浮子間距計(jì)算出被測液體的密度。具體標(biāo)定方法(1)在密度測量區(qū)間內(nèi)配制不同密度的油品，用標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)測量油品密度值。(2)將本實(shí)用新型的復(fù)合傳感器垂直放置于標(biāo)定管中，往管中注入不同密度的油品，讀取密度浮子4和液位浮子3的位置，輸入到專用標(biāo)定軟件系統(tǒng)。(3)利用密度對應(yīng)的浮子間距的對應(yīng)數(shù)據(jù)組G組以上)，擬合出傳感器輸入輸出特性曲線，并將相關(guān)參數(shù)寫入傳感器單片機(jī)225內(nèi)。為進(jìn)一步提高測量精度和分辨率，可實(shí)行分段測量方案，分區(qū)間設(shè)計(jì)密度浮子4 結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型中，將密度量程分為四段0. 69g/cm3 0. 74g/cm3、0· 74g/cm3 0. 79g/ cm3、0. 79g/cm3 0. 84g/cm3、0. 84g/cm3 0. 89g/cm3。本實(shí)用新型提出了一種基于磁致伸縮原理，可同時在線測量液體液位、密度、溫度的復(fù)合傳感器，液位測量分辨率可達(dá)0. Olmm,精度0. 2mm,密度測量精度0. 0005g/cm3,溫度測量精度0.2°C，具備成本較低、高分辨率高精度的特點(diǎn)，尤為適用于貴重油品計(jì)量和產(chǎn)品質(zhì)量控制場合。不僅可用于運(yùn)輸行業(yè)各種規(guī)格的運(yùn)油罐、也可用于加油站、油庫等儲油罐的油品重量在線監(jiān)控。若外管13、液位浮子3和密度浮子4均采用不銹鋼材料，則無毒無害， 還可應(yīng)用于醫(yī)藥、食品飲料加工行業(yè)。當(dāng)然，本實(shí)用新型還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種復(fù)合傳感器，其特征在于，包括一測桿，包括底端密封的中空外管，所述外管內(nèi)有波導(dǎo)絲，所述波導(dǎo)絲外設(shè)置有用于保護(hù)該波導(dǎo)絲不受損壞的保護(hù)套管；一電子倉，與所述測桿的一端連接；一液位浮子，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述液位浮子自由套裝于所述測桿的外管上；一密度浮子，設(shè)置于所述液位浮子下方，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述密度浮子自由套裝于所述測桿的外管上；一溫度傳感器，設(shè)置在所述測桿內(nèi)并安裝在所述保護(hù)套管上，與所述電子倉電性連接。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述的密度浮子包括 浮筒，所述浮筒內(nèi)部固定有永久磁環(huán)；用于調(diào)節(jié)所述密度浮子的比重的配重塊，所述配重塊連接在所述浮筒下方； 用于避免與所述液位浮子干涉的密度測桿，與所述浮筒頂端連接，所述液位浮子設(shè)置在所述密度測桿的行程范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述密度測桿為至少兩個薄壁圓管， 所述薄壁圓管通過支架相互固定并連接在所述浮筒上。
4.如權(quán)利要求3所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述密度測桿為三根兩端密封的薄壁圓管。
5.如權(quán)利要求3所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述三根薄壁圓管兩端分別通過所述支架相互固定，其中一端通過所述支架連接在所述浮筒上。
6.如權(quán)利要求2、3、4或5所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述浮筒為不銹鋼長圓柱形空心結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求2、3、4或5所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述浮筒為橡膠圓柱形實(shí)心結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述電子倉包括 一敏感元件頭，與所述波導(dǎo)絲電性連接；一電路板，包括一激勵電路，與所述波導(dǎo)絲電性連接； 一信號處理電路，與所述敏感元件頭電性連接； 一時間測量電路，與所述信號處理電路連接；一單片機(jī)，分別與所述時間測量電路、所述激勵電路及所述溫度傳感器電性連接； 一通信電路，與所述單片機(jī)電性連接。
9.如權(quán)利要求6所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，所述電子倉包括 一敏感元件頭，與所述波導(dǎo)絲電性連接；一電路板，包括一激勵電路，與所述波導(dǎo)絲電性連接； 一信號處理電路，與所述敏感元件頭電性連接； 一時間測量電路，與所述信號處理電路連接；一單片機(jī)，分別與所述時間測量電路、所述激勵電路及所述溫度傳感器電性連接；一通信電路，與所述單片機(jī)電性連接。
10.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的復(fù)合傳感器，其特征在于，還包括一用于防止所述液位浮子及所述密度浮子從所述外管上脫落的卡環(huán)，所述卡環(huán)固定在所述外管的底端。
專利摘要一種復(fù)合傳感器，包括一測桿，包括底端密封的中空外管，所述外管內(nèi)有波導(dǎo)絲，所述波導(dǎo)絲外設(shè)置有用于保護(hù)該波導(dǎo)絲不受損壞的保護(hù)套管；一電子倉，與所述測桿的一端連接；一液位浮子，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述液位浮子自由套裝于所述測桿的外管上；一密度浮子，設(shè)置于所述液位浮子下方，其內(nèi)部固定有一永久磁環(huán)，所述密度浮子自由套裝于所述測桿的外管上；一溫度傳感器，設(shè)置在所述測桿內(nèi)并安裝在所述保護(hù)套管上，與所述電子倉電性連接。本實(shí)用新型可以對液體的多項(xiàng)參數(shù)(液位、密度和溫度)實(shí)現(xiàn)低成本、高精度、高分辨率的在線測量，不僅可用于加油站、石油化工行業(yè)，還可應(yīng)用于醫(yī)藥、食品飲料加工等行業(yè)。
文檔編號G08C19/00GK202057392SQ20112014693
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者趙巧轉(zhuǎn) 申請人:北京航天金泰星測技術(shù)有限公司