精准定位密度测量装置的制作方法

本发明属于工业自动化计量领域，涉及对液体储罐的综合计量，尤其涉及一种精准定位密度测量装置。

背景技术：

在大罐液体物料存储行业所用的大型液体储罐中，所储存的液体经常出现密度分层、温度分层等不均匀分布的现象，而这种分层现象往往与被储液体变质有关，给整罐计量带来很大干扰。如需了解储罐内液体发密度分层和温度分层的情况，这就需要对液体不同深度处的密度、温度、粘度等参数进行采集，从而根据所采集的各个深度处的上述物理性质读数而绘制出清晰的数据分布图(如密度分布图)，为生产和物料管理提供依据。

目前，行业内多采用人工投尺对不同深度的液体取样测量的方式，要想绘制出比较细致的密度、温度、粘度分布图，需要大量的采样，工作量巨大，且人工投尺取样的高度精度不够，物料被取出测量，由于压力温度等参数迅速变化，很难测量准确，实际测量结果往往无法反应储罐内液体的真实密度分布情况。

由此，业内迫切需要一种能够精准定位浮子高度并实时在线进行密度等测量的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上技术的缺陷，提供一种精准定位密度测量装置，该装置能够对这些参数进行统一采集、计算并远传控制，并无需将样品取出，浮子(吊坠)直接深入罐内对密度、温度、粘度等参数进行测量，从而大大降低工人劳动强度，且能切实的反应罐内储料的真实情况，其通过精准定位浮子深度来实现对不同深度处的密度、粘度、温度等物料参数的测量，浮子定位精度高达±1mm。

本发明装置安装在储罐的顶部，采用伺服动力机构升降浮子传感器，主要用于液体储罐类仓储系统的综合计量。此装置既能实现对被测液体不同深度处的密度、温度、粘度等物料性质参数的测量，也能通过液位、水位测量实现对物料存储体积的计算。由于高位液体储罐内液体会出现密度分层现象，所以不同液位深度处的密度会有很大差异，通过精准定位浮子位置实现对储罐不同深度处的物料参数测量，这使储罐管理者能清楚的知道当前存储的物料是否出现分层、密度分布情况、是否产生沉淀、变质等现象，极大的方便了物料管理。

根据本申请的实施例，提供了一种用于液体储罐的精准定位密度测量装置，其特征在于包括：装置本体(1)，其上固定有扁平电缆轮(3)和编码器轮(9)；扁平电缆(10)，其绕经所述扁平电缆轮(3)和所述编码器轮(9)，所述扁平电缆(10)的一端固定在所述装置本体(1)上，另一端连接有浮子(11)，所述浮子(11)通过扁平电缆(10)悬挂于所述液体储罐内；驱动单元(4)，用于驱动所述扁平电缆轮(3)转动，带动所述扁平电缆(10)上下运动，并带动所述编码器轮(9)转动；其中，所述浮子(11)上安装有密度传感器、电导率传感器，其中，所述编码器轮(9)连接有编码器(8)，用于测定所述扁平电缆(10)的垂直位置，其中，所述精准定位密度测量装置还包括主控单元(5)，其连接到所述驱动单元(4)、所述编码器(8)、所述密度传感器、所述电导率传感器，其中，所述主控单元(5)用于控制所述驱动单元(4)工作，并从所述编码器(8)接收所述扁平电缆(10)的垂直位置数据，从所述密度传感器、所述电导率传感器接收所述液体储罐内的物质的密度和电导率数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、实现对储罐精准深度处的密度、温度、粘度等物料参数的实时在线测量，这极大的方便了对储罐体积和质量的综合计量。

2、密度测量采用浸入式直接密度的方法，较目前主流的混合式密度计法和人工采样等测量方法有很大的精度和准确度提升，也增强了数据的可靠性，提高了综合计量精度。

3、使用伺服动力机构同时携带密度、温度、粘度、水位传感器下放到储罐内部，直接多点测量物料密度、温度、粘度等物理参数，密度测量精度由之前的混合法的5‰提高到0.2‰甚至更高的精度，极大的提升了整体质量计量精度，由于整个过程由mcu主控系统驱动伺服动力胸自动测量，极大的降低了劳动强度，避免了人为取样的不确定风险，也降低了企业管理成本。

4、大罐计量定时自动多高度点物料性质检测可以监控物料是否发生了沉淀、分层、变质等影响生产使用或销售的情况发生。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的正面结构示意图；

图2为根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的背面结构示意图；

图3为根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的功能框图；

图4为根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的液位测量原理示意图。

附图标记如下所示：

1—外壳、2—接线端子腔、3—扁平电缆轮、4—伺服动力机构、5—mcu主控系统、6—力检测机构、7—测力轮、8—编码器、9—编码器轮、10—扁平电缆、11—浮子、12—浮子保护装置(侧面笼，底部脚)、13—磁敏接近开关、14—永磁体、15—电源模块、16—安装法兰。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

首先概述本发明的原理。

根据本发明的实施例，提供了一种精准定位密度测量装置，主要用于通过伺服控制系统和扁平电缆携带装有传感器的浮子(吊坠)来测量液体储罐内储物物理质参数如密度、粘度、温度和储量参数如液位、水位等。其特点是能精准投放浮子到达指定高度位置，定位精度达±1mm，主要针对密度分层储罐需要多点定位测量从而确定密度分布情况的需求。

首先，概述根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的工作原理。mcu主控系统控制伺服动力机构带动扁平电缆轮旋转使扁平电缆上、下运行，并通过编码器精确计量扁平电缆长度，浮子携带密度、温度、粘度、水位传感器悬挂在扁平电缆下方随扁平电缆同步上、下运行，进而实现对被测物料不同高度的密度、粘度、温度、液位、水位的实时测量。

具体地，扁平电缆一端缠绕在扁平电缆轮上，带有密度、粘度、温度、水位等传感器的浮子连接在扁平电缆的另一端悬挂于装置下方，扁平电缆轮连接在伺服动力机构上，mcu主控系统控制伺服动力机构带动扁平电缆轮同步旋转，进而带动浮子上下运行，在扁平电缆轮与浮子之间设置有编码器轮和测力轮，扁平电缆上下运行的同时带动编码器轮同步转动，由浮子重力在扁平电缆上产生的张力作用在测力轮上，通过记录编码器的转动脉冲计数计算编码器轮的旋转圈数和角度，进而通过编码器轮的周长精确计算扁平电缆上下运行的长度，通过扁平电缆的下放长度实现精准定位浮字的实时高度，定位精度高达±1mm，扁平电缆内置钢质软尺和导线，扁平电缆既是长度测量装置，也是为浮子供电和浮子与mcu主控系统通讯的通路，本发明装置带有液位测量功能。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1为根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的正面结构示意图；

图2为根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的背面结构示意图。

如图1和2所示，根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置主要包括外壳1、接线端子腔2、扁平电缆轮3、伺服动力机构4、mcu主控系统5、力检测机构6、测力轮7、编码器8、编码器轮9、扁平电缆10、浮子11、浮子保护装置12(侧面笼，底部脚)、磁敏接近开关13、永磁体14、电源模块15、安装法兰16等。本装置通过安装法兰16安装在被测物料储罐(储液罐)顶部。

其中，浮子11上配有密度传感器、温度传感器、粘度传感器、水位传感器。

浮子11通过扁平电缆10悬挂于装置下方，浮子11通过扁平电缆10供电，并与mcu主控系统5通讯。扁平电缆10缠绕在扁平电缆轮3上，mcu主控系统5通过伺服动力机构4控制扁平电缆轮3正转、反转，从而改变扁平电缆10在编码器轮盘9上的缠绕圈数，进而改变扁平电缆10的下放长度。同时，扁平电缆10在下放过程中会带动编码器轮9旋转，通过编码器8的计数值能够确定扁平电缆10的实际下放长度，进而可以调整浮子11处于任意高度，实现对被测物质不同深度或不同高度的密度、粘度、温度、液位、水位的实时在线自动测量。

其中，扁平电缆10的下放长度的计算公式如下：

hn＝(f2-f0)/(f1/l1)

其中，hn为扁平电缆10下放的实际长度；f1为编码器轮9转动一圈产生的脉冲数；l1为编码器轮9的周长；f2为编码器8的总累计实时脉冲数；f0为浮子11处于零点位置时的编码器脉冲数。

其中，编码器轮9和扁平电缆10上采取了包裹胶皮、刻蚀花纹齿纹、设置凸点、电缆打孔等防滑措施，防止扁平电缆10在编码器轮9上打滑影响定位精度。

其中，扁平电缆10内置导线的同时还内置钢质软尺，实现了扁平电缆既是为浮子供电的导电装置，也是精准定位浮子位置和液位测量的长度装置。

此外，本装置还设置有用于检测扁平电缆10的张力的力检测装置6，其中，扁平电缆10绕经力检测装置6，mcu主控系统5实时监控力检测装置6的读数。这样，当力检测装置6的读数超出预定的正常范围时，mcu主控系统5通过伺服动力机构4控制扁平电缆轮3以相应方向旋转，释放扁平电缆10所承受的拉力，能够有效避免浮子11在运行过程中被卡住导致的扁平电缆10被伺服动力机构4过度拉伸或拉断的严重情况发生。

本装置还设置了独立的接线端子腔2，用于外部电源引入和通讯接口，对外接口能实现测量数据的远传和上位机对本发明装置的远程控制。

下面说明精确控制扁平电缆10的运行长度的方式。扁平电缆10上下运行过程中带动编码器轮9同步转动，从而扁平电缆10的实际运行长度被编码器8以脉冲的方式记录下来，此脉冲计数值最终被mcu主控系统5采集，根据脉冲计数和编码器轮盘9的周长换算出扁平电缆的实际运行长度，从而能够获知当前浮子11的具体高度位置。

图4为根据本发明的实施例的精准定位密度测量装置的液位测量原理示意图。参见图4，通过测量储罐体空高hn反推液位高度ну，其中，校正高度hi和基准高度hb为经人工测量得到的固定值，此两值存储在本装置的存储器中。本装置通过测出空高hn，然后通过如下公式计算出液位高度hy：

ну＝нb+нi-нn

mcu主控系统5通过测量扁平电缆10的实际下放长度就能得到空高hn。开始测量时，muc主控系统5通过控制动力机构4转动扁平电缆轮3将浮子11上提，直至安装在零位位置的磁敏接近开关13被安装在扁平电缆10上的永磁体14触发，即认为浮子11到达零位位置，此时编码器8的计数值即为零位计数值。

接下来启动液位测量，浮子11缓慢下行，同时安装在浮子11上的密度传感器实时进行密度测量，直至检测到密度发生突变，说明进入液体，经过多次上下试探逐次逼近得到精确液位高度位置，此时编码器8的计数有效值＝当前计数值-零位计数值，有效值经过换算即得到扁平电缆10实际运行长度hn。

密度、粘度、温度等物理数据是通过安装在浮子11上的密度、粘度传感器和温度传感器直接测得的，并集中被传送到mcu主控系统5。

下面说明储罐中介质界面的测量原理。在油罐存储系统中，可能出现上层是油下层是水的现象，在这种情况下，既要测量油、气界面高度，又要测量油、水界面高度，本装置在浮子11上可内嵌有电导率传感器，通过测量不同介质的电导率变化感知水位位置，能准确测量油、气界面高度和油、水界面高度。

下面说明力检测机构6的作用和工作方式。由于浮子11在实际测量时需要由扁平电缆10牵引着上下来回运行，此过程有可能会遇到阻碍，例如被储罐中的异物卡住、或与储罐内壁接触而无法运行；此时，如果伺服动力机构4仍然运行并拉伸扁平电缆10，将导致扁平电缆10被过度拉伸甚至拉断；扁平电缆10一旦被拉断，浮子11将掉落到储料罐里，将产生很严重的后果。或者，也可能导致扁平电缆10被过多释放，造成高度数据测量错误、或者扁平电缆10产生缠绕，也会造成装置故障。为了避免这些情况的发生，本装置加装带轮的力检测机构6，扁平电缆10直接半绕在测力轮7上，通过测力轮7实时监测扁平电缆10的张力变化，一旦发现张力异常，mcu主控系统5立即停机伺服动力机构4，并报警保护。

mcu主控系统的结构简介。mcu主控系统5基于嵌入式cpu控制系统，包含cpu、电源模块、时钟模块、存储模块、通讯接口模块、实时时钟模块等组成。mcu主控系统5是整个设备的核心，负责控制伺服动力机构4、采集编码器8和力检测机构6的数据、综合计算各个传感器的测量结果、与外围设备通讯等。

下面说明定时自动测量功能的实现。本装置可内置实时时钟万年历，可经上位机软件对启动测量时间进行设置，本发明设备会将此设置存入自己的存储器里，然后就可以脱机工作定时启动测量了。

最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。