利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置制造方法
【专利摘要】一种利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，玻璃视管的外壁上设暗盒，暗盒内设安装在支架上的半导体激光器，暗盒的端部设通过数据线与计算机相连的CCD摄像头，在安装于液体管道上玻璃视管的外壁上附设成像层，半导体激光器的光出射端上设与成像层搭接的聚光棒，聚光棒的中心线和半导体激光器的中心线以及CCD摄像头的中心线与成像层的中心相重合且垂直于玻璃视管外表面。本发明结构简单、获得的光学图像边界清晰、对比度高、测量范围广、测量速度快、精度高、对管道内液体无任何影响等优点，可用于透明液体和半透明液体折射率的在线实时测量，特别适合于工业生产过程中液体多个物理参数的非接触在线实时监测。
【专利说明】利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置
【技术领域】
[0001]本发明属于光学测量【技术领域】，具体涉及一种利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置。
【背景技术】
[0002]不同液体(溶液)的折射率、浓度、密度、糖度、可溶性固形物、比重等是表征不同液或同一液体不同技术特性的重要物理参数。这些参数的测量在化工、石油、煤炭、制药、生物、食品、饮料、环保、造纸、材料科学以及教育科研等领域具有非常重要的意义。因此上述物理参数精确、快速测量技术的研究，一直是相关领域的热点问题，并且随着各种新技术的出现，其新的测量方法与装置不断涌现。
[0003]研究表明，同一种液体的上述参数之间在一定的范围内具有线性关系，并可以相互换算。对于透明或半透明液体，折射率的测量相对于其它物理量的测量更容易实现，在其折射率测定之后，可以通过已有的标准曲线(方程)或标准参数表获得相应的其它参数，因此属于光学测量【技术领域】的液体折射率的测量，是获得其它相关物理参数的关键和最有效的方法。
[0004]实验室中液体折射率大多采用离线测量方法，即将适量的待测液体放置在测量仪器或测量系统中的确定位置，使其构成光路的一部分，再根据相关的光学效应进行测量计算。但常用的阿贝折射仪、SPR测量技术和基于物理光学的干涉、衍射法的液体折射率离线测量技术，由于其仪器结构的复杂性和测量数据获得的非实时性，无法满足工业生产过程中相关物理参数实时在线测量的要求。同时在化工、制药、制糖、饮料、气体液化、材料制备等领域的工业生产系统中，液体一般都处在封闭系统中，并常处于非常温、非常压状态，或者属于有毒有害、易燃易爆液体，或者是贵重易挥发液体，因此采用非接触实时在线检测技术，是实现生产过程中液体物理参数测量与监控的唯一途径。
[0005]利用光作用于待测液体时的折射和反射现象，实现液体折射率的实时在线测量的非专利技术和专利技术已经很多。发明人所在的课题组发明的专利号为ZL201010118898.4、发明名称为“液体折射率实时检测装置及其在线检测方法”的中国专利，存在如下不足:其一，属探头式测量装置，即只能进行插入式测量，显然只适合于敞开式容器内液体物理参数的测量，而在工业生产系统中，液体往往是处在非常温、非常压状态下的管道或容器中，因此无法实现真正的非接触测量；其二，采用光纤导光和玻璃毛化面对入射光散射，在光成像层上形成的与液体折射率相关的圆形暗斑边界的对比度和清晰度不高，严重地影响了其测量精度。大量的实验研究发现，主要是由于光纤导光在光成像层中心入射光的强度太小，玻璃毛化面对入射光的散射效果太差，造成圆形暗斑边界的对比度太低；同时入射光点的大小，决定圆形暗斑边界的清晰度，而光纤导光的光强度与其出射光点的大小，存在着难以解决的矛盾。上述问题制约着其测量精度的提高。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于克服上述专利的缺点，提供一种结构简单、成本低、测量精度高的利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置。
[0007]解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，玻璃视管的外壁上设置暗盒，暗盒内设置安装在支架上的半导体激光器，暗盒的端部设置有通过数据线与计算机相连的CCD摄像头，在安装于液体管道上玻璃视管的外壁上附设有成像层，半导体激光器的光出射端上设置有与成像层搭接的聚光棒，聚光棒的中心线和半导体激光器的中心线以及CCD摄像头的中心线与成像层的中心相重合且垂直于玻璃视管的外表面。
[0008]本发明的成像层由附设在玻璃视管外表面上的白色油漆或白色玻璃油墨透射散射层和透射散射层外围相同材料的光散射成像层构成，透射散射层的直径为4~6mm,表面附设透射散射层的玻璃视管管壁对绿色激光的透射率40%~50 %，表面附设光散射成像层的玻璃视管管壁对绿色激光的光透射率为60%~70 %。上述的聚光棒的光出射端与透射散射层的中心搭接。
[0009]本发明的聚光棒为:在无机透明固体光学材料制成聚光段的光入射端连为一体有激光传输段、光出射端连为一体有整光段构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段、聚光段、整光段的外表面为光滑表面，激光传输段的光入射端面和整光段的光出射端面与激光传输双曲聚光棒的中心线垂直。上述的激光传输段的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段的几何形状是直径为d的圆柱体，d<D,聚光段的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段光入射端面的直径与激光传输段的直径相同、光出射端面的直径与整光段的直径相同。
[0010]本发明的聚光段侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程
[0011]
【权利要求】
1.一种利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，玻璃视管(8)的外壁上设置暗盒(2)，暗盒(2)内设置安装在支架(3)上的半导体激光器(6)，暗盒(2)的端部设置有通过数据线与计算机(5)相连的CXD摄像头(4)，其特征在于:在安装于液体管道上玻璃视管(8 )的外壁上附设有成像层(I)，半导体激光器(6 )的光出射端上设置有与成像层(1）搭接的聚光棒(7 )，聚光棒(7 )的中心线和半导体激光器(6 )的中心线以及CXD摄像头(4)的中心线与成像层(I)的中心相重合且垂直于玻璃视管(8)的外表面。
2.根据权利要求1所述的利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，其特征在于:所述的成像层(I)由附设在玻璃视管(8)外表面上的白色油漆或白色玻璃油墨透射散射层(1-1)和透射散射层(1-1)外围相同材料的光散射成像层(1-2)构成，透射散射层(1-1)的直径为4~6mm，表面附设透射散射层(1-1)的玻璃视管(8)管壁对绿色激光的透射率40%~50 %，表面附设光散射成像层(1-2)的玻璃视管(8)管壁对绿色激光的光透射率为60%~70 % ;所述的聚光棒(7)的光出射端与透射散射层(1-1)的中心搭接。
3.根据权利要求1或2所述的利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，其特征在于所述的聚光棒(7)为:在无机透明固体光学材料制成聚光段(7-2)的光入射端连为一体有激光传输段(7-1)、光出射端连为一体有整光段(7-3)构成激光传输双曲聚光棒(7 )，激光传输段(7-1)、聚光段(7-2 )、整光段(7-3 )的外表面为光滑表面，激光传输段(7-1)的光入射端面和整光段(7-3)的光出射端面与激光传输双曲聚光棒(7)的中心线垂直；所述的激光传输段(7-1)的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段(7-3)的几何形状是直径为d的圆柱体，d < D,聚光段(7-2)的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段(7-2)光入射端面的直径与激光传输段(7-1)的直径相同、光出射端面的直径与整光段(7-3)的直径相同。
4.根据权利要求3所述的利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，其特征在于:所述的聚光段(7-2)侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程
5.根据权利要求3所述的利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，其特征在于:所述的整光段(7-3)直径d的取值范围为0.3mm≤d≤0.6mm，激光传输段(7-1)直径D的取值范围为7d≤D≤IOd0
6.根据权利要求4所述的利用玻璃视管非接触实时监测管道内液体物理参数的装置，其特征在于:所述的整光段(7-3)直径d的取值范围为0.3mm≤d≤0.6mm,激光传输段(7-1)直径D的取值范围为7d≤D≤IOd0
【文档编号】G01N21/41GK103792210SQ201410070374
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】张宗权, 苗润才, 姚志, 刘志存, 杨宗立, 王文成, 崔永贞, 刘雅琳, 杜毅鹏, 辛经纬 申请人:陕西师范大学