超聲波液體濃度檢測儀的製作方法

2023-06-10 20:31:46

專利名稱：超聲波液體濃度檢測儀的製作方法
超聲波液體濃度檢測儀屬於超聲檢測技術領域，適用於電解法生產雙氧水濃度在線檢測或其他二元混和液體的成份分析。
現有的雙氧水濃度採用化學滴定法來測定。採用這種方法來測定要消耗高錳酸鉀、硫酸和雙氧水試劑，會造成環境汙染，並且手工操作的人為誤差大，耗時長，不能實現在線連續檢測及時指導生產。
本發明的目的在於提供一種抗幹擾性能強，能用於有粒屑和/或出現陣發性氣泡的惡歷條件，溫度補償範圍大，精度高，並能實現在線連續量測的檢測儀。
本發明由探頭箱部分和電路部分兩部份組成。有陣發性氣泡和/或粒屑雜物的被測液體，經探頭箱的去泡除雜後流過安裝在探測箱內的測溫探頭和超聲探頭。測溫探頭和超聲探頭與電路部分用電纜連接。儀器將通過測溫探頭和超聲探頭測得的被測液體的溫度、聲時與用ROM中儲存的雙氧水濃度、溫度及聲時關係曲線計算出被測液體的濃度。
本發明的工作原理如

圖1、圖2所示。探頭箱部分由入口1，左隔板3，濾網4，右隔板6，排氣孔8，出口9，清潔孔10，超聲探頭11，測溫探頭15組成。左隔板3，右隔板6將探頭箱內部分隔成左室2，中室5，右室7，超聲探頭11，測溫探頭15安裝在中室5的下部。被測液體由進口1流入，經濾網4流進中室5，被測液體中的粒屑雜物被阻擋在左室2，粒屑雜物受重力作用而沉至左室2的底部，經工作一段時間後打開清潔孔10將其排除。被測液體流過濾網4，由於孔徑變大，流速變慢，這時水中大多數氣泡經排氣口8後由出口9排出。經排氣去雜後的被測液體流過中室5的中下部時，經過超聲探頭11和測溫探頭15。
電路部份由測溫電路16，鍵盤19，鍵盤與字碼顯示控制器20，數字顯示器21，記錄儀22，D/A23，A/D24，地址、控制和數據線25，8位單片機晶片26(本發明採用8031型8位單片機晶片)，ROM27，RAM和I/O擴展器28，高速記時器29，測幅分頻器30，復位單穩31，發射電路32，放大器34，過零檢測電路35，結束單穩器36，計時門38和25MHZ晶振39組成。其中8位單片機晶片是本儀器的核心，它通過地址，控制和數據線25與其外圍的ROM，RAM和I/O擴展器，D/A，A/D，及鍵盤和字碼顯示控制器相互傳遞數據、命令和中斷服務要求。在ROM中儲存整機運行的程序和多條濃度各異的溫度，聲時關係曲線(濃度範圍0%～38%，溫度範圍25℃～50.5℃)，通過探頭實測得到的溫度、聲時數據與各曲線的比較找到最近的二條濃度曲線，再用內插法算出實際濃度值。8031通過RAM和I/O擴展器的B口讀取聲時的低八位，經256分頻的高位直接通過8031的TO口計數、儲存;D/A將算出的濃度百分比數值轉換成0-5V的模擬信號供記錄儀連續記錄;A/D按照8031的指令在測量聲時開始時立即開始進行將溫度模擬信號轉換成數字量，等待8031讀取;鍵盤與字碼顯示控制器將用戶鍵入的顯示要求傳給8031儲存起來並按用戶要求顯示的測量結果在8個字碼管上顯示;發射單穩33工作時向發射電路中的發射管GB1施加寬度為壓電晶片共振時1/2-1/4周期的正脈衝信號，發射管GB1產生較高電壓的負脈衝驅動壓電晶片產生一個聲脈衝，通過R5C1C2使高電壓的正負沿都激勵壓電晶片以晶片厚度共振頻率振動，使有用信號增強，聲信號的聲程為300mm，工作頻率為2MHZ，透過透聲窗及被測媒質，被反射回到壓電晶片上產生一個電訊號;過零檢測電路35從發射及多次反射回波中檢出要測的那個波到達的過零電平瞬刻，產生一個從發射瞬刻到過零電平瞬刻的正方波，正方波控制計時門讓計時時標通過，後沿觸動結束單穩，結束單穩控制計幅門，讓接收回波中超過較高閥電平的信號個數被測幅分頻器和8031的T1口計數;其中幅度過小的信號被判斷為有顆粒或氣泡的幹擾，而被剔除;高速計時器採用25MHZ石英晶振做時標，經過高速計時單元256分頻後的計時信號直接由8031的T0口計數寄存。
本發明的優點在於1、本發明在探頭箱內設置了去雜除泡的裝置，使得檢測儀能在陣發性氣泡存在的惡歷條件下連續正常地工作，在工作程序中設有根據接收到的幅度是否過小，聲時有無突變，來剔除有氣泡影響的數據的程序，提高了檢測的精度。
2、在ROM中存儲濃度範圍0%～38%，溫度範圍25℃～50.5℃，濃度各異的多條溫度，聲時曲線，實現了大範圍內的溫度補償。
3、在ROM中不存儲各濃度的溫度、聲時實測值，只存儲擬合後各濃度下溫度，聲時曲線的幾個係數，大大節省了存儲器，減少了實測值的隨機測量誤差。
4、本發明採用計數幅度超過一定閥電平的個數的多少來判斷接收幅度正常與否，不僅簡化了電路，而且提高了測量幅度變化的敏感性。
5、採用25MHZ的石英晶振做高速計時的時標，和隨機地多次測量時間間隔後平均的方法，大大提高了測時精度(達σ＝0.82ns)。
6、採用300mm的聲程，提高了測量聲時的相對精度。
7、採用過零電平觸發技術;2MHZ的較高工作頻率和提高發射接收能力措施來降低幅度變化和甄別閾漂移造成的誤差。
8、本發明能同時或分別顯示被測液體的聲時(靈敏度0.1ns);幅度;溫度(機內的256分度值和℃值);以及濃度(靈敏度0.01%)和溫度(靈敏度0.1℃)。
9、本發明採用高效的較高電壓發射電路，電路結構簡單，耗電省，發射管導通時間只有晶片厚度共振時的1/2-1/4周期，前後沿都都促使晶片以厚度共振頻率振動，增強了有用的厚度共振信號，提高了接收回波信號的幅度及純度。
附圖為本發明的一個實施例，說明如下1、探頭箱內部結構圖;
2、電路部分結構圖;
3、檢測儀工作程序流程圖。
結合附圖對本發明作進一步描述;
圖1，探頭箱內部結構圖。探頭箱由入口1，左隔板3，濾網4，右隔板6，排氣孔8，出口9，清潔孔10，超聲探頭11，測溫探頭15組成。左隔板3和右隔板6將箱體內腔分隔成左室2，中室5，右室7。左隔板3的上方與箱內壁之間設置濾網4，以阻止粒屑雜物進入中室5，右隔板6的上方與壁之間的通道作為排氣孔8，右隔板6的下端與箱底之間的通道為待測液通道。清潔孔10設在左室3的底部，沉在左室底部的粒屑雜物通過清潔孔10清除掉。超聲探頭11固定安裝在探頭底12上，探頭座12用若干個螺絲13固定在中室5的下部，連接超聲探頭與電路部分的電纜從電纜插頭14連出。
圖2，電路部分結構圖。電路部分由測溫電路16，鍵盤19，鍵盤與字碼顯示控制器20，數字顯字器21，記錄儀22，D/A23，A/D24，地址，控制和數據線25，8位單片機蕊片26，ROM27，RAM和I/O擴展器28，高速記時器29，測幅分頻器30，復位單位31，發射電路32，放大器34，過零檢測電路35，結束單穩36，計幅門37，計時門38和25MHZ晶振39組成。其中測溫電路16由高精度電源17，4隻電阻R1、R2、R3、R4和溫度放大器18構成;發射電路32由發射單穩33，發射管GB11隻電阻R5，2隻電容C1，C2和2隻二極體GB2，GB3構成。
圖3是檢測儀工作流程圖。儀器接通電源後，8031首先進行初始化，明確各中斷程序的地址及各晶片，各接口的功能。接著8031驅動復位單穩31翻轉與測溫開始，並進入等待中斷狀態。復位單穩31驅動高速記時器29和測幅分頻器30復零，準備進行這一次的測量。復位單穩31的後沿驅動發射電路32，超聲探頭10進行工作。結束單穩36控制計幅門37讓回波中超過高閥電平信號個數通過測幅分頻器30分頻後由8031的T1口計數，經高速記時單元256分頻後的計時信號直接由8031的T0口計數寄存。結束單穩36的後沿通過EX1口要求8031做測溫，測聲時，計算濃度和顯示的中斷服務。
8031收到EX1傳來的中斷要求後，轉到測量，顯示主程序。首先讀入並檢查T1寄存器裡的幅度信號，若幅度過小即判斷為有粒屑雜物或氣泡的幹擾，經觸發復位單穩31和開始測溫後回到等待中斷狀態。否則由PB口讀入高速計數寄存器存儲的低8位聲時，由T0讀入聲時的高位，並將這聲時與上批測量中首256次測量的平均值進行比較，若過小則判為有氣泡或電幹擾，也經觸發復位單穩和測量溫度，回到等待中斷狀態。否則讀取溫度數據，將測得的溫度、聲時和幅度數值分別加到對應的二進位寄存器中，供以後400次聲時測量作比較用，若濃度或溫度過高或過低則8位數字顯示中左或右四位數字顯示變黑形成閃爍報警。若次數不等於256次或400次，就經觸發復位單穩，開始測溫回到中斷狀態。若為400次則將聲時，溫度和幅度分別平均，換算成十進位數據儲存在十進位的溫度、聲時和幅度數據寄存器中。接著在ROM中尋找這一實測溫度下各濃度曲線所對應的聲時值和測得的聲時值比較，直到找到與實測溫度、聲時最鄰近的二條溫度聲時曲線，根據這二條曲線的濃度，聲時值與實測的聲時值用內插法算出實際濃度。然後8031將算出的濃度轉換成模擬信號，供記錄儀連續記錄。根據顯示要求顯示濃度;溫度;聲時;幅度;或溫度(256分度值與℃值)。將二進位溫度、聲時、幅度和正確測量次數寄存器復零;這樣就完成了一次測量、計算、顯示的全工作過程，經觸發復位單穩和開始測溫回到中斷狀態，開始進行下一個測量工作過程。
權利要求
1.一種超聲波液體濃度檢測儀，由探頭箱部份和電路部分兩部份組成，探頭箱部分包括入口(1)，左隔板(3)，濾網(4)，右隔板(6)，排氣孔(8)，出口(9)，清潔孔(10)，超聲探頭(11)，測溫探頭(15)；電路部分包括測溫電路(16)，鍵盤(19)，鍵盤與字碼顯示控制器(20)，數字顯示器(21)，記錄儀(22)，D/A(23)，A/D(24)，地址，控制和數據線(25)，8位單片機晶片(26)，ROM(27)，RAM和I/O擴展器28，高速記時器(29)，測幅分頻器(30)，復位單穩31，發射電路(32)，放大器(34)，過零檢測電路(35)，結束單穩器(36)，計幅門(37)，計時門(38)和25MHz晶振(39)，其特徵在於；a、在探頭箱中設置濾網(4)，排氣孔(8)，以去除被測液體中的粒屑雜物和絕大部分氣泡；b、在ROM中儲存濃度範圍0%～38%，溫度範圍25℃～50.5℃的多條溫度、聲時曲線，以實現大範圍內的溫度補償，擴大了檢測範圍；c、採用過零電平觸發器技術；高的發射接收能力和2MHz工作頻率來減小幅度變化和甄別閾漂移造成的誤差；採用300mm聲程來提高測量聲時的相對精度；採用25MHz作為時標和隨機多次測量後平均的方法來提高測時精度，從而提高測量液體濃度的精確度；d、發射電路(32)由發射單穩(33)，電阻R3，兩隻電容C1，C2，發射管GB1、2隻二極體GB2、GB3構成，發射管GB1導通時間為晶片共振的1/2-1/4周期。
全文摘要
超聲波液體濃度檢測儀，屬於超聲檢測技術領域，適用於電解法雙氧水生產過程中的雙氧水濃度在線檢測或其他二元混合液體的成分分析。本儀器裝有去除被測液體中混有粒屑雜物和氣泡的裝置，使得檢測能在有陣發性氣泡發生的惡劣情況下正常工作，在儀器內，採用儲存多條濃度各異的溫度、聲時關係曲線的方法，來實現測量時大範圍的溫度自動補償(濃度範圍0％～38％，溫度範圍25℃～50.5℃)，採用提高發射接收能力等技術來提高檢測液體濃度的精確度。本儀器操作方便，檢測精度高。
文檔編號G01N29/02GK1062416SQ9010609
公開日1992年7月1日 申請日期1990年12月11日 優先權日1990年12月11日
發明者朱士明, 盧傑, 劉鎮清, 魏墨, 袁春裕, 張韻雅 申請人:同濟大學, 上海印染化工廠