专利名称：多对管变光自补偿在线浊度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及检测传感器技术设备领域，特别涉及水厂的水质及糖厂澄清汁的浊度在线检测设备技术，具体是指一种多对管变光自补偿在线浊度传感器。
背景技术：
水厂及食品行业的澄清工艺的目标是去除溶液中的杂质，溶液中杂质含量的多少可用浊度表示，因此，浊度的在线测量相当重要，而浊度的准确测量依赖浊度传感器及测量仪两部分，特别是浊度传感器。现有的在线浊度传感器品种极少，主要为国外产品，它们大部分共同的特征是结构复杂、成本高、测量量程窄、精度差、色值补偿差、维修保养困难，同时存在没有考虑半导体的温飘、时飘、老化、密封等问题。
发明内容本实用新型的目的就是为了克服和解决现有在线浊度传感器结构复杂、成本高、测量量程窄、精度差、色值补偿差、维修保养困难，同时存在没有考虑半导体的温飘、时飘、老化、密封等问题，提供一种具有测量精度高、可靠性高、造价低、测量范围宽、接口简单、有一定色值补偿的多对管变光自补偿在线浊度传感器。该浊度传感器采用目前半导体发光及接收的最新器件、最新的集成电路进行设计，它的接口能很好地与微机构成的测量仪连接，以期达到浊度的在线实时测量、记录等问题，也可通过查表法人工求出被测液的浊度。
本实用新型所述一种多对管变光自补偿在线浊度传感器，其特征是，它由清洗控制机构、浊度变送接口板、曲轴与连杆与活塞及清洗擦、参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管相互连接组成；其中，清洗控制机构通过曲轴、连杆、活塞与清洗擦相连接，浊度变送接口板与清洗控制机构固定在一起，并与参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管相连接，清洗擦、参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管与测量室相连接。
为了更好地实现本实用新型，所述清洗控制机构由清洗电机及减速器相互连接组成；可以将清洗控制机构和浊度变送接口板固定在上部机械固定矩形板上，该板上还固定有信号电缆接头、交流电源接头、上位检测开关和下位检测开关，并安装有矩形保护罩，浊度变送接口板外还固定有金属屏蔽盒；清洗控制机构通过电机转轴连接圆形转盘，圆形转盘与轴销构成曲轴，通过连杆与活塞的轴销相连接；活塞安装于圆筒内，并通过清洗杆、清洗擦固定架与清洗擦相连接；上部机械固定矩形板通过圆筒、金属保护管连接到下部机械固定园盘，参比浊度发光及接收对管和检测浊度发光及接收对管安装在金属保护管中的玻璃管内，下部机械固定园盘还通过螺旋型液体进出挡光圆筒与园盘固定连接，构成测量室。
为了更好地实现本实用新型，所述测量室光学结构由超高亮发光二极管、凸透镜、线性光敏二极管、标准固化参比浊度模块、普通玻璃管、光学玻璃管、挡光板共同组成，测量室光学结构关系为超高亮发光二极管和凸透镜装于同侧，线性光敏二极管装于另一侧，超高亮发光二极管装于普通玻璃管内，凸透镜装于光学玻璃管内，线性光敏二极管装于光学玻璃管内，光学玻璃管再通过密封胶与普通玻璃管连接，标准固化参比浊度模块通过密封垫及密封胶与光学玻璃管固定密封连接，标准固化参比浊度模块装于测量室前后两边上部，每个测量小区都用挡光板隔离开来。
为了更好地实现本实用新型，所述浊度变送接口板的电路由交流输入电路、滤波器电路、隔离变压器、整流稳压输出电源电路、信号接口电路、自补偿及驱动发光电路、浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路、多路选择开关反馈电路、电机控制固态继电器接口电路、清洗擦位置检测电路共同电气连接构成；其中，交流输入电路分别与滤波器电路、电机控制固态继电器接口电路相连接，滤波器电路还通过隔离变压器与整流稳压输出电源电路相连接，整流稳压输出电源电路还分别与自补偿及驱动发光电路、浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路、多路选择开关反馈电路、清洗擦位置检测电路相连接，信号接口电路也分别与自补偿及驱动发光电路、浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路、多路选择开关反馈电路、清洗擦位置检测电路以及电机控制固态继电器接口电路相连接，多路选择开关反馈电路也分别与浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路相连接。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和有益效果
1.本实用新型采用机电一体化设计，有浊度变送模块，可以设有七个参比浊度模块，还有浊度清洗控制接口，以控制浊度清洗机械执行机构定期对测量发光及接收对管的头部进行清洗。
2.本实用新型体积小、结构简单、造价低，可沉入液体内半米，由玻璃弯管包含超高亮发光二极管及线性光敏二极管，其内填充密封材料和吸湿剂，密封好，避免光变成热的效应；采用八对超高亮发光二极管及线性光敏二极管作为发射及接收器件，并采用对管自补偿电路，有效地解决了半导体器件温飘、时飘、老化等问题，并对色值影响有一定的补偿，这些问题对有非线性关系的浊度与浊度毫伏尤为重要。
3.本实用新型工作可靠，采用最新器件进行设计，并带有保护电路，器件不容易损坏，采用电隔离技术，对现场干扰问题已作了很好的解决。
4.本实用新型接口方便，很容易与微机测量仪连接，并内部提供自调试电路，借助它可独立调试本传感器。
5.本实用新型测量精度高，范围宽，采用七个参比浊度模块，并以参比点为核心把测量范围分为七个区间，在每个区间内再用多段线性插值求浊度，硬件补偿具有本质的精度，软件插值作为测量范围的扩充。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型的测量室光学结构示意图；图3是本实用新型浊度变送接口板的电路方框图；图4是本实用新型浊度变送接口板的电路原理图；图5和6是本实用新型浊度计算流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步地详细描述如图1所示，金属圆筒12、金属保护管13分别与上部机械固定矩形板9、下部机械固定园盘20通过焊接而成为传感器主结构支撑体；矩形保护罩1、清洗电机及减速器2、金属屏蔽盒8、信号电缆接头10、交流220V电源接头11、上位检测开关24、下位检测开关25通过固定螺丝、螺冒与上部机械固定矩形板9装配固定；浊度变送接口板7装于金属屏蔽盒8内；清洗电机及减速器2通过电机转轴3装上圆形转盘4，它们间通过销丁与螺冒固定；圆形转盘4加上轴销5构成曲轴，再接上连杆6；活塞14装于圆筒12内，它内部装有轴销15也连接连杆6，它还通过焊接与清洗杆17固定；清洗擦固定架18上装有清洗擦16，并通过螺冒与清洗杆17固定；安装参比对管的玻璃管21、安装检测对管的玻璃管22从下面往上安装，并通过橡胶垫与金属保护管13固定；螺旋型液体进出挡光圆筒19通过螺丝、螺冒分别与下部机械固定园盘20、底下带通孔的园盘23固定。
如图2所示是本实用新型的A-A截面局部放大图，也即测量室光学结构示意图。超高亮发光二极管27装于安装参比对管的玻璃管21或安装检测对管的玻璃管22内，位于左侧；凸透镜28装于光学玻璃管30内，位于左侧；线性光敏二极管29装于光学玻璃管30内，位于右侧，光学玻璃管30再通过密封胶31与安装参比对管的玻璃管21或安装检测对管的玻璃管22连接；标准玻璃参比浊度模块26通过密封垫及密封胶32与光学玻璃管30固定密封连接；主测量回路装于中间下方，标准固化玻璃参比浊度模块26装于测量室前后两边上部，其中，参比浊度模块1、3、5、7位于前边，参比浊度模块2、4、6位于后边；每个测量小区都用挡光板33隔离开来，以避免相互干扰。
如图3所示，交流220V输入电路34、滤波器电路35、隔离变压器36、整流稳压输出电源电路37、整流稳压输出电源电路38、电机控制固态继电器接口电路50通过电源线连接，其中，整流稳压输出电源电路37提供给浊度毫伏接收电路41、参比浊度1毫伏接收电路42、参比浊度2毫伏接收电路43、参比浊度3毫伏接收电路44、参比浊度4毫伏接收电路45、参比浊度5毫伏接收电路46、参比浊度6毫伏接收电路47、参比浊度7毫伏接收电路48、多路选择开关反馈电路49、清洗擦位置检测电路51使用的隔离模拟电源；整流稳压输出电源电路38提供给自补偿及驱动发光电路40使用的隔离模拟电源；信号接口电路39通过信号线、多路选择开关线、电机开关线、清洗擦位置检测线分别与自补偿及驱动发光电路40、浊度毫伏接收电路41、参比浊度1毫伏接收电路42、参比浊度2毫伏接收电路43、参比浊度3毫伏接收电路44、参比浊度4毫伏接收电路45、参比浊度5毫伏接收电路46、参比浊度6毫伏接收电路47、参比浊度7毫伏接收电路48、多路选择开关反馈电路49、电机控制固态继电器接口电路50、清洗擦位置检测电路51相连接；多路选择开关反馈电路49还通过信号线与自补偿及驱动发光电路40、浊度毫伏接收电路41、参比浊度1毫伏接收电路42、参比浊度2毫伏接收电路43、参比浊度3毫伏接收电路44、参比浊度4毫伏接收电路45、参比浊度5毫伏接收电路46、参比浊度6毫伏接收电路47、参比浊度7毫伏接收电路48相连接。
在本实用新型实施例中，矩型保护罩1由纤维板压制而成；清洗电机及减速器2可选每分十几转的交流220V电机总成；电机转轴3、圆形转盘4、轴销5由普通钢作成；浊度变送接口板7安装在金属屏蔽盒8内；连杆6、上部机械固定矩型板9、金属圆筒12、金属保护管13、活塞14、轴销15、清洗杆17、清洗擦固定架18、下部机械固定园盘20由不锈钢作成；信号电缆接头10、交流220V电源接头11、上位检测开关24、下位检测开关25分别固定在上部机械固定矩形板9的相应地方；安装参比对管的玻璃管21、安装检测对管的玻璃管22用于电信号引线；螺旋型液体进出挡光圆筒19、底下带通孔的园盘23由纤维板压制而成；超高亮发光二极管27安装于安装参比对管的玻璃管21或安装检测对管的玻璃管22内；凸透镜28安装于光学玻璃管30内；安装参比对管的玻璃管21或安装检测对管的玻璃管22通过密封胶31与光学玻璃管30相连接固定，从而构成左边的发光单元；线性光敏二极管29也安装于光学玻璃管30内，安装参比对管的玻璃管21或安装检测对管的玻璃管22也通过密封胶31与光学玻璃管30相连接，从而构成右边的光敏接收单元；超高亮发光二极管27、线性光敏二极管29由八个对管组成，并要求超高亮发光二极管、光敏二极管线性范围宽、性能基本一致，必须经过筛选；标准固化参比浊度模块26由玻璃容器内填充带有一定色值的标准浊度溶液经固化而构成，它通过密封垫及密封胶32与光学玻璃管30固定密封连接；挡光板33由涂黑的纤维板制成，它把每个测量小区分隔开来；总体构成是，中间下部安装测量小区，前面上部安装参比小区1、3、5、7，后面上部安装参比小区2、4、6，对每个参比小区来说，除光学玻璃管30头部及其检测光通路外，测量室所有其它部件全部涂黑。
如图4所示，对浊度变送接口板来讲，整流稳压输出电源电路37由连接器J1、二极管D1～D4、稳压集成电路U8及U11、电容C1与C4与C6与C9与C12～C14及C17、电阻及可调电阻R36与R38与R41与R43与R44及R49、发光二极管LP1与LP4组成；整流稳压输出电源电路38由稳压集成电路U9及U10、电容C2与C3与C7与C8与C10与C11与C15与C16、电阻及可调电阻R37与R39与R40与R42与R45及R46、发光二极管LP2与LP3组成；信号接口电路39由连接器J4、拨码开关SW1、电阻及可调电阻R50～R53组成；自补偿及驱动发光电路40由放大器U13、电容C5与C18、电阻R1与R32与R33、超高亮发光二极管L0～L7组成；浊度毫伏接收电路41由放大器U0、电阻R9与R30与R34与R35、线性光敏二极管P0组成；参比浊度1毫伏接收电路42由放大器U1、电阻R8与R28与R29与R31、线性光敏二极管P1组成；参比浊度2毫伏接收电路43由放大器U2、电阻R7与R25～R27、线性光敏二极管P2组成；参比浊度3毫伏接收电路44由放大器U3、电阻R6与R22～R24、线性光敏二极管P3组成；参比浊度4毫伏接收电路45由放大器U4、电阻R5与R18与R19与R21、线性光敏二极管P4组成；参比浊度5毫伏接收电路46由放大器U5、电阻R4与R15与R17与R20、线性光敏二极管P5组成；参比浊度6毫伏接收电路47由放大器U6、电阻R3与R12与R14与R16、线性光敏二极管P6组成；参比浊度7毫伏接收电路48由放大器U7、电阻R2与R10与R11与R13、线性光敏二极管P7组成；多路选择开关反馈电路49由集成电路U12组成；电机控制固态继电器接口电路50由连接器J2、电阻R54组成；清洗擦位置检测电路51由连接器J3、电阻R47与R48组成，它外部连接霍尔开关以检测清洗擦18的位置。
本实用新型的工作原理如下1.机械机构的总体工作原理是上位安装电机、上位及下位检测开关、浊度变送接口板、引线插座，它们必须放在被测液体上面，并加保护罩，免受雨水淋湿。八对超高亮发光二极管及光敏接收二极管安装在下部，它们都装在玻璃弯管内，玻璃弯管内填充密封材料及吸湿剂，除光通路顶端外，整个玻璃管及下部检测室都涂有黑漆，引线在上部，光发射与光接收之间的距离为5cm左右，一对用于检测被测液，另一对用于检测标准浊度参比模块，并形成反馈回路，两者之间隔光，以免相互干扰，其它标准参比浊度毫伏接收电路受控不工作。为免受自然光的干扰，下部做成螺旋型的园型结构，底部做成带通孔的底盘，便于残渣的流出。传感器的清洗是通过电机的转动带动曲轴、连杆、活塞、清冼擦来完成的。
2.本实用新型可方便地与微机测量仪接口，内部也提供自调试电路。首先，给定反馈选择开关编码111，并给定最大激励电压V7用于产生光束，此光束一边通过参比浊度模块7，并通过参比浊度7毫伏接收电路48、多路选择开关反馈电路49以产生经补偿的恒光，它能有效地消除温飘、时飘、老化等问题，同时对色值作一定的补偿；另一边相同的光束通过被测液体，接收光敏二极管通过浊度毫伏接收电路41产生毫伏信号，并判断量程，或超量程及溢出，溢出可报警，超量程可转下一量程，或通过软件线性插值求出本量程的浊度。以此类推，给定电压从大到小，即从V7到V1搜索，并求出浊度。具体步骤如表1及图5和6所示。
第一步用最大激励V7，判断浊度毫伏ZDMV是否小于ZDMVmin7(接收二极管暗电电流引起的部分加误差范围)，是，断定线路断线或范围溢出(浊度ZD大于2500)；否则，判断ZDMV是否大于ZDMVmax7(放大器饱和引起的部分减去误差范围)，否，调用第七段线性插值对应的公式，由浊度毫伏ZDMV求出浊度ZD值，是，转第二步。
第二步用激励V6，判断ZDMV是否大于ZDMVmax6，否，调用第六段线性插值对应的公式，由浊度毫伏ZDMV求出浊度ZD值，是，转第三步。
第三步用激励V5，判断ZDMV是否大于ZDMVmax5，否，调用第五段线性插值对应的公式，由浊度毫伏ZDMV求出浊度ZD值，是，转第四步。
第四步用激励V4，判断ZDMV是否大于ZDMVmax4，否，调用第四段线性插值对应的公式，由浊度毫伏ZDMV求出浊度ZD值，是，转第五步。
第五步用激励V3，判断ZDMV是否大于ZDMVmax3，否，调用第三段线性插值对应的公式，由浊度毫伏ZDMV求出浊度ZD值，是，转第六步。
第六步用激励V2，判断ZDMV是否大于ZDMVmax2，否，调用第二段线性插值对应的公式，由浊度毫伏ZDMV求出浊度ZD值，是，转第七步。
第七步用激励V1，判断ZDMV是否大于ZDMVmax1，否，调用第一段线性插值对应的公式，由浊度毫伏ZDMV求出浊度ZD值，是，可能浊度为0或线路短路。
本实用新型的实施方式如下1.可按图1和2所示，选用钢管、钢板、圆纲条、纤维板制造传感器机械机构，其整体高度750mm，上部矩形盒为400×300×200mm，下部测量室为直径400mm高度200mm的圆筒，然后在上部矩形盒内安装电机、曲轴连杆机构、隔离变压器、上位及下位检测开关、浊度变送接口板及屏蔽盒、清洗电机控制固态继电器、信号电缆连接插座、220V电源输入插座；中部安装不锈钢的圆筒与活塞机构与保护套、玻璃管，下部测量室安装八个超高亮发光二极管、八个带凸透镜的光学玻璃管、七个参比浊度模块、八个带线性光敏二极管的光学玻璃管、清洗擦，并作密封处理而表1反馈回路开关编码、发光激励电压与其它各项之关系表
实现。2.按图4所示，用计算机布线制浊度变送接口板，所有网络标号相同者，计算机会自动连在一起，其中，U8、U9可选LM317或LM350系列，U10、U11可选LM337系列，U12可选74HCT4051系列，U13可选TLE2027，超高亮发光二极管L0～L7、线性光敏二极管P0～P7由引线连接到测量室，放大器U0～U7可选TLC2202。发明人按上述的实施方式制出样机，具有下列技术指标及参数(1)输入电压AC220V±20％，50Hz；(2)额定功率50W；(3)浊度检测显示0～2500度(使用液体温度范围0～60℃)；(4)浊度检测精度1≤1％(0～1050浊度)；(5)浊度检测精度2≤3％(1050～2500浊度)。
实施使用本实用新型时，先接交流220V电压。其工作步骤为(1)使用进口浊度仪、色值仪对与参比模块有相同浊度的被测液体，进行浊度与色值测量，一般某个浊度的被测液体都有对应的色值，然后，在用标准浊度物质配制浊度溶液时，可加入一定的色值物质，它们一道注入玻璃模块内，最后再固化封口，这样带有一定色值的标准参比浊度模块就制造出来了。(2)借助内部调试电路、万用表、进口浊度仪、测量液来获取实验数据，即拨码开关SW1-3、SW1-2、SW1-1置到001，SW1-8连通，先在第一测量区间内通过调节可调电阻R50以确定V1给定电压，使其浊度测量电压毫伏ZDMV都在较敏感的曲线区间内，固定该V1给定电压值，在该V1给定电压驱动下，取几种不同的浊度样本，测量浊度毫伏值ZDMV，并依次记录(ZD1，i，ZDMV1，i)，i＝1，2……J；J的数值就决定软件线性插值的段数，依此类推，从第一区间一直作到第七区间，并记录(ZDk，i，ZDMVk，i)，k为区间号，i为测量点；另外，还可拨动SW1-6为0，使其清洗机构模拟工作，拨动SW1-4为0，模拟输出清洗机构在上位信号，拨动SW1-5为0，模拟输出清洗机构在下位信号。(3)把所有拨码开关置于无效位置，并把上面测得的数值写进浊度测量仪内，再按照图5和6的浊度计算流程框图，即可使本实用新型与浊度测量仪顺利连接，使它们一道协调工作，并求出被测液体的浊度。注意，由于被测液体的浊度不同，应定期拆开最下部的带通孔的圆盘，并用毛刷对相应部位清洗。
如上所述，即可较好地实现本实用新型。
权利要求1.一种多对管变光自补偿在线浊度传感器，其特征是，它由清洗控制机构、浊度变送接口板、曲轴与连杆与活塞及清洗擦、参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管、测量室相互连接组成；其中，清洗控制机构通过曲轴、连杆、活塞与清洗擦相连接，浊度变送接口板与清洗控制机构固定在一起，并与参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管相连接，清洗擦、参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管与测量室相连接。
2.根据权利要求1所述的一种多对管变光自补偿在线浊度传感器，其特征是，所述清洗控制机构由清洗电机及减速器相互连接组成。
3.根据权利要求1所述的一种多对管变光自补偿在线浊度传感器，其特征是，所述清洗控制机构和浊度变送接口板固定在上部机械固定矩形板上，该板上还固定有信号电缆接头、交流电源接头、上位检测开关和下位检测开关，并安装有矩形保护罩，浊度变送接口板外还固定有金属屏蔽盒；所述清洗控制机构通过电机转轴连接圆形转盘，圆形转盘与轴销构成曲轴，通过连杆与活塞的轴销相连接；活塞安装于圆筒内，并通过清洗杆、清洗擦固定架与清洗擦相连接；上部机械固定矩形板通过圆筒、金属保护管连接到下部机械固定园盘，参比浊度发光及接收对管和检测浊度发光及接收对管安装在金属保护管中的玻璃管内，下部机械固定园盘还通过螺旋型液体进出挡光圆筒与园盘固定连接，构成测量室。
4.根据权利要求1所述的一种多对管变光自补偿在线浊度传感器，其特征是，所述测量室光学结构由超高亮发光二极管、凸透镜、线性光敏二极管、标准固化参比浊度模块、普通玻璃管、光学玻璃管、挡光板共同组成，测量室光学结构关系为超高亮发光二极管和凸透镜装于同侧，线性光敏二极管装于另一侧，超高亮发光二极管装于普通玻璃管内，凸透镜装于光学玻璃管内，线性光敏二极管装于光学玻璃管内，光学玻璃管再通过密封胶与普通玻璃管连接，标准固化参比浊度模块通过密封垫及密封胶与光学玻璃管固定密封连接，标准固化参比浊度模块装于测量室前后两边上部，每个测量小区都用挡光板隔离开来。
5.根据权利要求1所述的一种多对管变光自补偿在线浊度传感器，其特征是，所述浊度变送接口板的电路由交流输入电路、滤波器电路、隔离变压器、整流稳压输出电源电路、信号接口电路、自补偿及驱动发光电路、浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路、多路选择开关反馈电路、电机控制固态继电器接口电路、清洗擦位置检测电路共同电气连接构成；其中，交流输入电路分别与滤波器电路、电机控制固态继电器接口电路相连接，滤波器电路还通过隔离变压器与整流稳压输出电源电路相连接，整流稳压输出电源电路还分别与自补偿及驱动发光电路、浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路、多路选择开关反馈电路、清洗擦位置检测电路相连接，信号接口电路也分别与自补偿及驱动发光电路、浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路、多路选择开关反馈电路、清洗擦位置检测电路以及电机控制固态继电器接口电路相连接，多路选择开关反馈电路也分别与浊度毫伏接收电路、参比浊度毫伏接收电路相连接。
专利摘要本实用新型是一种多对管变光自补偿在线浊度传感器，它由清洗控制机构、浊度变送接口板、曲轴与连杆与活塞及清洗擦、参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管相互连接组成；其中，清洗控制机构通过曲轴、连杆、活塞与清洗擦相连接，浊度变送接口板与清洗控制机构固定在一起，并与参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管相连接，清洗擦、参比浊度发光及接收对管、检测浊度发光及接收对管与测量室相连接。本实用新型采用机电一体化设计，体积小、结构简单、造价低，密封好，有效地解决了半导体器件温飘、时飘、老化等问题，并对色值影响有一定的补偿。本实用新型工作可靠，接口方便，测量精度高，范围宽。
文档编号G01N35/00GK2596362SQ02250590
公开日2003年12月31日 申请日期2002年12月24日 优先权日2002年12月24日
发明者黄扬明, 华贲 申请人:华南理工大学