专利名称：一种复合传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及液体多参数检测领域，特别是一种高精度的用于在线检测液体 (如油品)液位、密度和温度的复合传感器。
背景技术：
在成品油运输流通行业，跑、冒、滴、漏、偷等情况时有发生，给相关公司造成了很大的经济损失。为减小运输过程中的人为损耗，实时监测油品品质和数量，急需在油罐车上安装专用传感器和车载监控系统，在线检测油品液位、密度和温度，及时处理数据，从而有效监测运输过程中油品总量的变化，对异常情况进行报警，加强油品运输过程监管工作。目前液位测量技术较为成熟，适用于油品高精度测量的主要有磁致伸缩液位计、 伺服式液位计、雷达液位计等。雷达液位计只能测量单一液面，不能测量界面与温度，更无法测量密度。伺服式液位计可以测量液位、密度和温度，测量精度较高，但其基于伺服式电机原理，属于机械、电子结合类产品，调试安装复杂，且价格高昂，主要应用于大库区大储罐，并不适合于车载小型油罐测量。磁致伸缩液位计属于浮子式液位计，适用于低粘度液体测量，可以同时测量液面、界面和温度，相比同等精度液位计价格较低。密度测量方面也有不少成型产品，常见的为静压式和振弦式在线密度计，密度测量精度可达到0. 001g/cm3，但仅能测量密度和温度，不能同时测量液位。专利号为“ZL03212M6”，名称为“液体液位、密度、温度传感器”的中国实用新型专利公开的液位、密度、温度传感器，由密度浮子与浮杆固定在一起构成密度测量元件，密度浮子为空心球形的磁性浮子，浮杆为双体浮杆或柱形面浮杆。该结构的密度测量元件的重心极可能高于其浮心，使之无法在液体中保持自然竖直平衡状态，从而倾靠在测杆上与之产生摩擦力，严重影响密度测量精度。此外，未就如何根据浮子间距计算密度提供相关资料。申请号为“00105004”，名称为“液体液位、密度及质量的测量仪”的中国发明专利
申请所公开的液体液位、密度和质量的测量仪，由圆柱形密度浮子与平衡管共同构成密度测量元件，通过测量密度浮子与液位浮子的间距计算液体密度。该申请在结构上同样存在上述问题。同时，其公开的密度计算公式为pt = PfAt2XVXK,其中Pt为液体瞬时密度值，Ptl为密度浮子处于零点时的液体密度值，应为液面浮子与密度浮子返回脉冲的时间差，V为脉冲沿波导管传播的速度，K为密度转换系数。该公式认为液体密度与浮子间距的变化呈线性正比关系。而实际上，根据阿基米德原理，Fff= P agVft(h)，其中，Fff为浮子所受浮力，P 为液体密度，g为重力常数。Vft (h)为浮子排开的液体的体积，是浮子浸没深度h的函数，h近似等于液位浮子与密度浮子的间距At2XV。显然，液体密度与浮子间距的变化呈近似反比关系(因液位浮子浸没深度同样随液体密度变化，所以仅为近似)，仅靠一个简单的系数K来计算瞬时密度，将其关系默认为线性正比，将导致明显的非线性误差， 无法保证高精度测量。另外，专利号为“ZL201020171364.3”，名称为“数字式磁致伸缩液位传感器”的中国实用新型专利，仅能测量液位和温度，无法同时测量液体的密度。因此，现有技术中基于磁致伸缩原理的液体液位、密度和温度测量方法，在结构设计和密度计算方面，均存在一些不足，不利于实现高精度的液位、密度和温度测量。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高分辨率高精度的、能够同时在线检测液体液位、密度和温度的复合型传感器。为了实现上述目的，本实用新型提供了一种复合传感器，其中，包括一测杆，包括底端密封的中空外管，所述外管内有波导丝，所述波导丝外设置有用于保护该波导丝不受损坏的保护套管；一电子仓，与所述测杆的一端连接；一液位浮子，其内部固定有一永久磁环，所述液位浮子自由套装于所述测杆的外
管上；一密度浮子，设置于所述液位浮子下方，其内部固定有一永久磁环，所述密度浮子自由套装于所述测杆的外管上；一温度传感器，设置在所述测杆内并安装在所述保护套管上，与所述电子仓电性连接。上述的复合传感器，其中，所述的密度浮子包括浮筒，所述浮筒内部固定有永久磁环；用于调节所述密度浮子的比重的配重块，所述配重块连接在所述浮筒下方；用于避免与所述液位浮子干涉的密度测杆，与所述浮筒顶端连接，所述液位浮子设置在所述密度测杆的行程范围内。上述的复合传感器，其中，所述密度测杆为至少两个薄壁圆管，所述薄壁圆管通过支架相互固定并连接在所述浮筒上。上述的复合传感器，其中，所述密度测杆为三根两端密封的薄壁圆管。上述的复合传感器，其中，所述三根薄壁圆管两端分别通过所述支架相互固定，其中一端通过所述支架连接在所述浮筒上。上述的复合传感器，其中，所述浮筒为不锈钢长圆柱形空心结构。上述的复合传感器，其中，所述浮筒为橡胶圆柱形实心结构。上述的复合传感器，其中，所述电子仓包括一敏感元件头，与所述波导丝电性连接；一电路板，包括一激励电路，与所述波导丝电性连接；—信号处理电路，与所述敏感元件头电性连接；一时间测量电路，与所述信号处理电路连接；一单片机，分别与所述时间测量电路、所述激励电路及所述温度传感器电性连接；一通信电路，与所述单片机电性连接。上述的复合传感器，其中，还包括一用于防止所述液位浮子及所述密度浮子从所述外管上脱落的卡环，所述卡环固定在所述外管的底端。本实用新型的有益功效在于可以对液体的多项参数(液位、密度和温度)实现低成本、高精度高分辨率的在线测量，还可进一步由上位机结合储罐容积表计算液体体积和质量。不仅可用于加油站、石油化工行业，由于其不锈钢外管、浮子均采用不锈钢材料，无毒无害，还可应用于医药、食品饮料加工等行业。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。
[0034]图1为本实用新型一 实施例的结构示意图；[0035]图2为图1的A-A剖视示意图；[0036]图3为本实用新型一 实施例的密度浮子结构示意图[0037]图4为本实用新型另一实施例的结构示意图；[0038]图5为本实用新型一 实施例的电路模块工作波形示[0039]图6为本实用新型一 实施例的工作原理框图。[0040]其中，附图标记[0041]1测杆11波导丝[0042]12保护套管13外管[0043]2电子仓21敏感元件头[0044]22电路板221信号处理电路[0045]222激励电路223时间测量电路[0046]224通信电路225单片机[0047]3液位浮子4密度浮子[0048]41密度测杆42浮筒[0049]43配重块44支架[0050]45螺钉5温度传感器[0051]6输出电缆及接头7卡环[0052]8上位机M激励脉冲[0053]A回波1B回波具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述参见图1、图2及图4，图1为本实用新型一实施例的结构示意图，图2为图1的 A-A剖视示意图，图4为本实用新型另一实施例的结构示意图。本实用新型的复合传感器， 包括测杆1，该测杆1包括底端密封的中空外管13，该外管13优选为不锈钢材料件，所述外管13内有波导丝11，波导丝11为敏感元件，所述波导丝11外设置有用于保护该波导丝 11不受损坏的保护套管12 ；电子仓2，与所述测杆1的一端连接，该电子仓2的顶端安装有输出电缆及接头6 ；液位浮子3，液位浮子3优选为不锈钢空心浮球，其内部固定有一永久磁环，所述液位浮子3自由套装于所述测杆1的外管13上；密度浮子4，设置于所述液位浮子3下方，其内部固定有一永久磁环，所述密度浮子4自由套装于所述测杆1的外管13上；温度传感器5，设置在所述测杆1内并安装在所述保护套管12上，与所述电子仓2电性连接。 本实施例中，该温度传感器5粘贴在保护套管12外表面，用于测量液体内部温度。液位浮子3与密度浮子4中心均开有通孔，套在不锈钢外管13上，随液体液位或密度的变化而上下自由浮动。该复合传感器还可包括一用于防止所述液位浮子3及所述密度浮子4从所述外管13上脱落的卡环7，所述卡环7固定在所述外管13的底端。参见图3，图3为本实用新型一实施例的密度浮子结构示意图。本实施例中，该密度浮子4包括浮筒42，所述浮筒42内部固定有永久磁环；用于调节所述密度浮子4的比重的配重块43，所述配重块43连接在所述浮筒42下方，本实施例中通过螺纹连接固定在浮筒42上；用于避免与所述液位浮子3干涉的密度测杆41，与所述浮筒42顶端连接，所述液位浮子3设置在所述密度测杆41的行程范围内。本实施例中，所述密度测杆41可为至少两个薄壁圆管，所述薄壁圆管通过支架44相互固定并连接在所述浮筒42上。优选所述密度测杆41为三根两端密封的薄壁圆管，通过支架44和螺钉45相互固定并焊接在不锈钢浮筒42上。所述三根薄壁圆管两端可分别通过所述支架44相互固定，其中一端通过所述支架44连接在所述浮筒42上。其中，所述浮筒42可为不锈钢长圆柱形空心结构(参见图 1)或橡胶圆柱形实心结构(参见图4)。由于密度浮子4上部设计为比重低于液体的不锈钢浮筒42和密度测杆41，而底部为比重较大的配重块43，整个密度浮子4为上轻下重的轴对称结构，重心远远低于其浮心， 因而能够自然垂直漂浮于油品中，避免与外管13产生摩擦影响测量精度。此外，为保证密度浮子4能够自然垂直漂浮于液体中，还需要在加工和装配工艺上保证浮子的对称性，使其浮心与重心在同一铅垂线上。参见图6，图6为本实用新型一实施例的工作原理框图。本实施例中，所述电子仓 2包括敏感元件头21，与所述波导丝11电性连接；电路板22，包括激励电路222，与所述波导丝11电性连接；信号处理电路221，与所述敏感元件头21电性连接；时间测量电路 223，与所述信号处理电路221连接；单片机225，分别与所述时间测量电路223、所述激励电路222及所述温度传感器5电性连接；通信电路224，与所述单片机225电性连接。其工作原理为单片机225控制周期脉冲电流发生器产生激励脉冲M电流，波导丝11因磁致伸缩效应产生扭转波，敏感元件头21拾取到回波信号，然后进行信号滤波和放大处理，时间测量电路223对激励脉冲M与返回脉冲A，B的时间间隔进行测量，由单片机225进行数据处理，通过通信电路2M输出相应的液位、密度和温度。本实用新型优选采用485输出方式， 与上位机8进行数据上报和通讯工作。此外，为了实现高精度高分辨率测量，本实用新型优选采用高精度时间测量芯片TDC-GP2，时间测量分辨率最高可达50ps，本实用新型液位测量分辨率可以达到lOum，远远超过现有产品(IOOum)。本实用新型通过测量扭转波脉冲与激励脉冲M的时间间隔计算浮子的位置；参见图5，图5为本实用新型一实施例的电路模块工作波形示意图。上电后，单片机225发出一激励脉冲M电流，该电流以光速沿波导丝11传播，在波导丝11周围产生环形脉冲电磁场。 脉冲电流磁场分别与液位浮子3及密度浮子4的磁环产生的纵向磁场叠加，形成一个螺旋形磁场。由于磁致伸缩效应，该部位的波导丝11产生扭曲形变，生成一个扭转波脉冲。这个扭转脉冲以固定的速度沿波导丝11传回到电子仓2内的敏感元件头21，再经信号处理电路221将机械扭力波转换为可用电信号。当波导丝11上的不同位置分别放有液位浮子 3和密度浮子4时，就会产生两个回波界面。电流以光速传递，因而从发射端到磁浮子之间电流传递时间可以忽略不计。通过时间测量电路223精确测量激励脉冲M与扭转波的时间间隔(tl，t2)，即可以分别确定液位浮子3和密度浮子4所在的位置(L1，L2)。通过定时发送激励脉冲M,就能实时检测液位浮子3和密度浮子4的位置变化。本实用新型密度测量基于阿基米德原理，即密度浮子4在液体中平衡时，排开液体的重量等于其自身的重量。密度浮子4质量一定，浸没在液体中的深度变化即反应了液体密度的变化。通过设计密度浮子4结构，结合调节配重块43的配重，将传感器的密度测量范围固定在特定区间内。当液体密度变大时，密度浮子4将上浮一定的距离；当液体密度变小时，密度浮子4则又会下沉一定的距离。密度浮子4与液位浮子3之间的距离与液体的密度呈一一对应却并非线性的关系，通过精密的实验标定和数据拟合，以浮子间距Ah 为自变量，液体密度P为函数，利用三次多项式拟合对测得的数据进行处理，得到浮子间距与液体密度的标定关系式P =K3(Ah) 3+Κ2 ( Δ h) ^K1 ( Δ h) +K05K0-K3为拟合所得参数，即可根据浮子间距计算出被测液体的密度。具体标定方法(1)在密度测量区间内配制不同密度的油品，用标准密度计测量油品密度值。(2)将本实用新型的复合传感器垂直放置于标定管中，往管中注入不同密度的油品，读取密度浮子4和液位浮子3的位置，输入到专用标定软件系统。(3)利用密度对应的浮子间距的对应数据组G组以上)，拟合出传感器输入输出特性曲线，并将相关参数写入传感器单片机225内。为进一步提高测量精度和分辨率，可实行分段测量方案，分区间设计密度浮子4 结构，本实用新型中，将密度量程分为四段0. 69g/cm3 0. 74g/cm3、0· 74g/cm3 0. 79g/ cm3、0. 79g/cm3 0. 84g/cm3、0. 84g/cm3 0. 89g/cm3。本实用新型提出了一种基于磁致伸缩原理，可同时在线测量液体液位、密度、温度的复合传感器，液位测量分辨率可达0. Olmm,精度0. 2mm,密度测量精度0. 0005g/cm3,温度测量精度0.2°C，具备成本较低、高分辨率高精度的特点，尤为适用于贵重油品计量和产品质量控制场合。不仅可用于运输行业各种规格的运油罐、也可用于加油站、油库等储油罐的油品重量在线监控。若外管13、液位浮子3和密度浮子4均采用不锈钢材料，则无毒无害， 还可应用于医药、食品饮料加工行业。当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
权利要求1.一种复合传感器，其特征在于，包括一测杆，包括底端密封的中空外管，所述外管内有波导丝，所述波导丝外设置有用于保护该波导丝不受损坏的保护套管；一电子仓，与所述测杆的一端连接；一液位浮子，其内部固定有一永久磁环，所述液位浮子自由套装于所述测杆的外管上；一密度浮子，设置于所述液位浮子下方，其内部固定有一永久磁环，所述密度浮子自由套装于所述测杆的外管上；一温度传感器，设置在所述测杆内并安装在所述保护套管上，与所述电子仓电性连接。
2.如权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，所述的密度浮子包括 浮筒，所述浮筒内部固定有永久磁环；用于调节所述密度浮子的比重的配重块，所述配重块连接在所述浮筒下方； 用于避免与所述液位浮子干涉的密度测杆，与所述浮筒顶端连接，所述液位浮子设置在所述密度测杆的行程范围内。
3.如权利要求2所述的复合传感器，其特征在于，所述密度测杆为至少两个薄壁圆管， 所述薄壁圆管通过支架相互固定并连接在所述浮筒上。
4.如权利要求3所述的复合传感器，其特征在于，所述密度测杆为三根两端密封的薄壁圆管。
5.如权利要求3所述的复合传感器，其特征在于，所述三根薄壁圆管两端分别通过所述支架相互固定，其中一端通过所述支架连接在所述浮筒上。
6.如权利要求2、3、4或5所述的复合传感器，其特征在于，所述浮筒为不锈钢长圆柱形空心结构。
7.如权利要求2、3、4或5所述的复合传感器，其特征在于，所述浮筒为橡胶圆柱形实心结构。
8.如权利要求1、2、3、4或5所述的复合传感器，其特征在于，所述电子仓包括 一敏感元件头，与所述波导丝电性连接；一电路板，包括一激励电路，与所述波导丝电性连接； 一信号处理电路，与所述敏感元件头电性连接； 一时间测量电路，与所述信号处理电路连接；一单片机，分别与所述时间测量电路、所述激励电路及所述温度传感器电性连接； 一通信电路，与所述单片机电性连接。
9.如权利要求6所述的复合传感器，其特征在于，所述电子仓包括 一敏感元件头，与所述波导丝电性连接；一电路板，包括一激励电路，与所述波导丝电性连接； 一信号处理电路，与所述敏感元件头电性连接； 一时间测量电路，与所述信号处理电路连接；一单片机，分别与所述时间测量电路、所述激励电路及所述温度传感器电性连接；一通信电路，与所述单片机电性连接。
10.如权利要求1、2、3、4或5所述的复合传感器，其特征在于，还包括一用于防止所述液位浮子及所述密度浮子从所述外管上脱落的卡环，所述卡环固定在所述外管的底端。
专利摘要一种复合传感器，包括一测杆，包括底端密封的中空外管，所述外管内有波导丝，所述波导丝外设置有用于保护该波导丝不受损坏的保护套管；一电子仓，与所述测杆的一端连接；一液位浮子，其内部固定有一永久磁环，所述液位浮子自由套装于所述测杆的外管上；一密度浮子，设置于所述液位浮子下方，其内部固定有一永久磁环，所述密度浮子自由套装于所述测杆的外管上；一温度传感器，设置在所述测杆内并安装在所述保护套管上，与所述电子仓电性连接。本实用新型可以对液体的多项参数(液位、密度和温度)实现低成本、高精度、高分辨率的在线测量，不仅可用于加油站、石油化工行业，还可应用于医药、食品饮料加工等行业。
文档编号G08C19/00GK202057392SQ20112014693
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者赵巧转 申请人:北京航天金泰星测技术有限公司