专利名称：一种在线液体检测装置及其密度标定系统和方法
技术领域：
本发明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、密度和温度的在线液体检测装置及其密度标定系统和方法。
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. OOlg/cm3，但仅能测量密度和温度，不能同时测量液位。专利号为“ZL03212246 ”，名称为“液体液位、密度、温度传感器”的中国发明专利公开的液位、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，P0为密度浮子处于零点时的液体密度值，△ t2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 agVfi_(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”的中国发明专利，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、密度测量。
发明内容
本发明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及其密度标定装置和方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种在线液体检测装置，其中，包括一复合传感器，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；一电子仓，与所述测杆的一端连接，用于得到待测液体的液位、密度及温度数据，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，所述单片机包括浮子位置校正模块、参数存储模块及密度计算模块；一通信电路，与所述单片机电性连接；一数据输出系统，与所述电子仓电性连接，用于输出或显示所述液位、密度及温度数据。上述的在线液体检测装置，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。上述的在线液体检测装置，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。上述的在线液体检测装置，其中，所述的数据输出系统为一上位机、一显示器或一打印机。为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种在线液体检测装置的密度标定系统，其中，包括复合传感器，所述复合传感器为上述的复合传感器；
上位机，与所述复合传感器电连接，包括数据采集模块，所述数据采集模块用于采集数据信息，所述数据信息包括所述复合传感器输出的所述密度浮子及所述液位浮子的浮子间距及标定用液体的密度数据；数据处理模块，所述数据处理模块利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式；数据输出模块，所述数据输出模块将得到的所述标定关系式的系数发送到所述单片机内，所述单片机的参数存储模块储存所述标定关系式的系数；标定桶，所述标定桶内盛装有用于密度标定的标定液，所述复合传感器垂直放置于所述标定桶内。上述的密度标定系统，其中，还包括同步标准密度测量装置，所述同步标准密度测 量装置包括旁通管及标准密度计，所述旁通管通过密度管路与所述标定桶连通，所述密度管路上设置有密度阀门，所述标准密度计放置于所述旁通管内以同步测量待测标定液的密度。上述的密度标定系统，其中，还包括待测标定液更换装置，所述待测标定液更换装置用于盛装不同密度的待测标定液，包括多组更换液桶组，所述更换液桶组包括原液桶和储液桶，所述原液桶与所述储液桶之间通过第一管路连通，所述第一管路上设置有液泵和第一阀门，所述储液桶与所述标定桶之间通过第二管路连通，所述第一管路与所述第二管路通过一三通连通，所述第二管路上靠近所述储液桶的入口处设置有第二阀门。为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种在线液体检测装置的密度标定方法，其中，采用上述的密度标定系统实现密度标定，包括如下步骤a、准备标定液准备多组不同密度的标定液；b、盛装标定液将其中一种密度的所述标定液盛装入所述标定桶直至达到所需液位；C、数据信息采集接通所述复合传感器的电源并开启所述上位机，所述上位机的数据采集模块采集所述数据信息，并将所述数据信息传送到所述数据处理模块；d、更换另一种密度的标定液，重复上述步骤b C，直至完成所准备的各组标定液的信息采集；e、数据信息处理所述数据处理模块利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与液体密度的标定关系式；f、数据处理结果输出及储存所述数据输出模块将所述标定关系式的各项系数发送到所述单片机内，所述单片机的参数存储模块储存所述标定关系式的系数，完成密度标定。为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种在线液体检测装置的密度标定方法，其中，采用如上述的密度标定系统实现密度标定，包括如下步骤a、准备标定液准备多组不同密度的标定液，分别盛装入不同的所述更换液桶组的原液桶中；b、盛装标定液打开其中一组所述更换液桶组的所述第一阀门及所述液泵，将其中一种密度的所述标定液输入所述标定桶直至达到所需液位后，关闭所述第一阀门及所述液栗；
C、标定液密度值同步测定打开密度阀门，待所述旁通管中液位上升到一定高度并稳定后，放入所述标准密度计，读取当前液体实际密度值；d、数据信息采集接通所述复合传感器的电源并开启所述上位机，所述上位机的数据采集模块采集所述数据信息，并将所述数据信息传送到所述数据处理模块；e、清空标定桶打开第二阀门，使所述标定桶与所述旁通管中的标定液完全流入所述储液桶中；f、更换另一组所述更换液桶组，重复上述步骤b e，直至完成所准备的各组标定液的信息采集；g、数据信息处理所述数据处理模块利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式；
h、数据处理结果输出及储存所述数据输出模块将所述标定关系式的各项系数发送到所述单片机内，所述单片机的参数存储模块储存所述标定关系式的系数，完成密度标定。上述的密度标定方法，其中，所述数据信息处理步骤所得到的所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式为p = K3 ( A h)3+K2 ( A h)2+K1 ( A h) +K0其中，Ah为所述浮子间距，P为液体密度，V K。K2、K3为标定关系式的系数。本发明的技术效果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发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图I为本发明一实施例的复合传感器结构示意图；图2为图I的A-A剖视示意图；图3为本发明一实施例的密度浮子结构示意图；图4为本发明另一实施例的复合传感器结构示意图；图5为本发明一实施例的复合传感器电路模块工作波形不意图；图6为本发明一实施例的复合传感器工作原理框图；图7为本发明一实施例的在线液体检测装置工作原理图；图8为本发明一实施例的在线液体检测装置密度标定系统结构示意图；图9为本发明一实施例的在线液体检测装置密度标定方法流程图；图10为本发明另一实施例的在线液体检测装置密度标定方法流程图。其中，附图标记100复合传感器I测杆IlA波导丝12A保护套管13A外管2电子仓21敏感元件头22电路板
221信号处理电路222激励电路223时间测量电路224通信电路225单片机2251浮子位置校正模块2252参数存储模块2253密度计算模块3液位浮子4密度浮子41密度测杆42浮筒
43配重块44支架45螺钉5温度传感器6输出电缆及接头7卡环8上位机81数据采集模块82数据处理模块83数据输出模块84数据显示模块85通信模块M激励脉冲A回波IB回波29标定桶10同步标准密度测量装置101旁通管102标准密度计103密度管路104密度阀门11待测标定液更换装置111更换液桶组1111原液桶1112储液桶112第一管路113液泵114第一阀门115第二管路116三通管117第二阀门12标定液13工作台a h步骤
具体实施例方式下面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I、图2及图4，图I为本发明一实施例的结构示意图，图2为图I的A-A剖视示意图，图4为本发明另一实施例的结构示意图。本发明的在线液体检测装置包括复合传感器100及数据输出系统(参见图7及图8)，该数据输出系统用于输出或显示由该复合传感器100得到的液位、密度及温度数据，该复合传感器与该数据输出系统连接，所述的数据输出系统可为一上位机8、一显不器或一打印机。因该数据输出系统为较成熟的现有技术，在此不作赘述。下面对该复合传感器100予以详细说明。本发明的复合传感器100包括测杆1，该测杆I包括底端密封的中空外管13A，该外管13A优选为不锈钢材料件，所述外管13A内有波导丝11A，波导丝IlA为敏感元件，所述波导丝IlA外设置有用于保护该波导丝IlA不受损坏的保护套管12A ;电子仓2，与所述测杆I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I的外管13A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I的外管13A上；温度传感器5，设置在所述测杆I内并安装在所述保护套管12A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12A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13A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100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13A上脱落的卡环7，所述卡环7固定在所述外管13A的底端。参见图3，图3为本发明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I)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13A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为本发明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IlA电性连接；电路板22，包括激励电路222，与所述波导丝IlA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，所述单片机225包括浮子位置校正模块2251、参数存储 模块2252及密度计算模块2253 ;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控制激励电路222产生激励脉冲电流M，波导丝IlA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。单片机225内的浮子位置校正模块2251，根据测量电路223返回的时间间隔值，结合液位测量标定获得的校正系数，计算出精确的液位和浮子间距。参数存储模块2252用于存储密度标定获取的多项式系数，密度计算模块2253根据该系数和浮子间距后计算出液体密度。最后通过通信电路224输出相应的液位、密度和温度。本发明优选采用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，本发明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，本发明液位测量分辨率可以达到10um，远远超过现有产品(IOOum)。本发明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为本发明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IIA传播，在波导丝IlA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IlA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IlA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IlA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。本发明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+K2 ( Ah)2+K: ( Ah) +KqjK0-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。本发明的密度标定方法的基本思路(I)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)将本发明的复合传感器100垂直放置于标定管中，往标定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(至少4组数，本实施例优选5组，优选三阶)，拟合出传感器输入输出特性曲线，并将拟合所得参数写入传感器单片机225内。之后，该复合传感器100可根据单片机225内存储的该拟合所得参数及液位浮子及密度浮子测得的实时浮子间距，计算出被测液体的密度，从而实现液体的多项参数在线检测。参见图7，图7为本发明一实施例的在线液体检测装置工作原理图。复合传感器经过液位测量标定后，单片机225内的浮子位置校正模块2251，存储有浮子位置测量校正系数Ka。传感器密度标定过程为单片机225控制激励电路222产生激励脉电流M，波导丝IlA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，经信号处理电路221进行波形预处理，时间测量电路223对激励脉冲与返回脉冲的时间间隔进行测量，并输入到单片机225。浮子位置校正模块2251，根据时间测量电路223获得的tl、t2，结合系数Ka，计算出精确的液位浮子和密度浮子间距(L2-L1)。单片机225通过通信电路224和85，将浮子间距发送到上位机8的数据采集模块81，然后手动输入标准密度计102测得的标定液密度值到数据采集模块81，浮子间距(L2-L1)与标定液密度值呈一一对应关系。待数据采集模块81获得全部数据组之后，数据处理模块82对该数据进行多项式拟合计算，获得密度标定多项式系数(Ktl-K3)，并通过通信电路85、224，存储到参数存储模块2252。复合传感器正常工作时，时间测量电路223测量tl、t2并传输给单片机225，浮子位置校正模块225计算精确的浮子位置(LI、L2)及浮子间距(L2-L1)，密度计算模块2253根据所述浮子间距和参数存储模块2252内的多项式系数(Ktl-K3)计算待测液的密度值。通过通信电路224输出相应的液位、密度和温度，由上位机的数据显示模块84进行实时显示。参见图8，图8为本发明一实施例的在线液体检测装置密度标定系统结构示意图。根据上述思路，本发明的密度标定系统包括复合传感器100，所述复合传感器100为前述的复合传感器100，在此不作赘述；上位机8，与所述复合传感器100电连接，包括数据采集模块81，所述数据采集模块81用于采集数据信息，所述数据信息包括所述复合传感器100输出的所述密度浮子及所述液位浮子的浮子间距及待标定液体的密度数据；数据处理模块82，所述数据处理模块82利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式；数据输出模块83，所述数据输出模块83将得到的所述标定关系式的系数发送到所述复合传感器100的电子仓2内的单片机225，所述单片机225的参数存储模块2252储存所述系数；该上位机8通过通信模块85与复合传感器100的通信电路224连接，实现数据信号的传输；该上位机8还可包括数据显示模块84，该数据显示模块84可与上位机8的显示装 置连接，作为复合传感器100的数据输出系统，用于输出或显示由该复合传感器100得到的液位、密度及温度数据。标定桶9，所述标定桶9内盛装有用于密度标定的标定液12，所述复合传感器100垂直放置于所述标定桶9内。参见图9，图9为本发明一实施例的在线液体检测装置密度标定方法流程图。本发明的在线液体检测装置的密度标定方法，采用前述的密度标定系统实现密度标定，包括如下步骤a、准备标定液准备多组不同密度的用于密度标定的标定液(密度值已精确测定且在传感器密度测量范围内)；b、盛装标定液将其中一种密度的所述标定液盛装入所述标定桶9直至达到所需液位；C、数据信息采集接通所述复合传感器100的电源并开启所述上位机8，所述上位机8的数据采集模块81采集所述数据信息，并将所述数据信息传送到所述数据处理模块82 ；d、更换另一种密度的标定液，重复上述步骤b C，直至完成所准备的各组标定液的信息采集；e、数据信息处理所述数据处理模块82利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式；f、数据处理结果输出及储存所述数据输出模块83将所述标定关系式的各项系数发送到所述复合传感器100的电子仓2内的单片机225中，所述单片机225的参数存储丰旲块2252储存所述标定关系式的系数，完成S度标定。另外，本发明的在线液体检测装置的密度标定系统还可包括同步标准密度测量装置10，所述同步标准密度测量装置10包括旁通管101及标准密度计102，所述旁通管101通过密度管路103与所述标定桶9连通，所述密度管路103上设置有密度阀门104，所述标准密度计102放置于所述旁通管101内以同步测量待测标定液12的密度。本发明的在线液体检测装置的密度标定系统还可包括待测标定液更换装置11，所述待测标定液更换装置11用于盛装不同密度的待测标定液，包括多组更换液桶组111，所述更换液桶组111包括原液桶1111和储液桶1112，所述原液桶1111与所述储液桶1112之间通过第一管路112连通，所述第一管路112上设置有液泵113和第一阀门114，所述储液桶1112与所述标定桶9之间通过第二管路115连通，所述第一管路112与所述第二管路115通过一三通管116连通，所述第二管路115上靠近所述储液桶1112的入口处设置有第二阀门117。工作时，复合传感器100经过液位测量系统标定后，垂直安装在标定桶9上，与上位机8连接，标定桶9用于盛放标定液12，进行标定测量实验，优选材料为透明有机玻璃。旁通管101与标定桶9通过密度管路103连通，使标准玻璃密度计105同步测量标定液12的密度，优选材料为透明有机玻璃。标定桶9与旁通管101放置在工作台13上。原液桶1111为一组存放标定液12的桶。储液桶108为一组空桶。液泵113的进口端与原液桶1111相连，出口端与三通管116相连，三通管116的另外两端分别与标定桶9和储液桶1112相连。第一阀门114、第二阀门117及密度阀门104用于分别控制其对应的第一管路112、第二管 路115及密度管路103的通断。标定液12来自原液桶1111，为利用原始油品(如汽油、煤 油、柴油、石油醚等)或其他液体，根据复合传感器100待标零点和满度，近似等间隔配备的几组密度不同的液体。参见图10，图10为本发明另一实施例的在线液体检测装置密度标定方法流程图。根据上述的密度标定系统，本发明的在线液体检测装置的密度标定方法，可包括如下步骤a、准备标定液准备多组不同密度的用于密度标定的标定液(密度值在传感器测量范围内但尚未精确测定)，并将不同密度的标定液分别盛装入不同的所述更换液桶组111的原液桶1111中；b、盛装标定液打开其中一组所述更换液桶组111的所述第一阀门114及所述液泵113，将其中一种密度的所述标定液输入所述标定桶9直至达到所需液位后，关闭所述第一阀门114及所述液泵113 ；C、标定液密度值同步测定打开密度阀门104，待所述旁通管101中液位上升到一定高度并稳定后，放入所述标准密度计102，读取当前液体实际密度值；d、数据信息采集接通所述复合传感器100的电源并开启所述上位机8，所述上位机8的数据采集模块81采集所述数据信息，并将所述数据信息传送到所述数据处理模块82 ；e、清空标定桶打开第二阀门117，使所述标定桶9与所述旁通管101中的标定液完全流入所述储液桶1112中；f、更换另一组所述更换液桶组111，重复上述步骤b e，直至完成所准备的各组标定液的彳目息米集；g、数据信息处理所述数据处理模块82利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式；h、数据处理结果输出及储存所述数据输出模块83将所述标定关系式的各项系数发送到所述复合传感器100的电子仓2内的单片机225中，所述单片机225的参数存储丰旲块2252储存所述标定关系式的系数，完成S度标定。
上述标定方法的优点在于，一方面密度标准值测定与传感器标定同步进行，避免了已测液体密度值因挥发或温度变化发生变化从而影响标定精度。另一方面，标定液可以方便快捷的装入或排出标定桶，简单易操作。其中，所述数据信息处理步骤所得到的所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式为p = K3 ( A h)3+K2 ( A h)2+K1 ( A h) +K0其中，Ah为所述浮子间距，P为液体密度，WK2J3为标定关系式的系数。标定关系式在保证测量精度和运算速度的前提下，优选为三阶多项式，也可以采用更高阶多项式。下面以一实施例说明具体标定方法
I、购买适量不同密度的油品或其他液体作为原材料。2、根据复合传感器100密度待标零点和满度值，确定标定液12目标密度值，利用体积估算法计算各原始油品体积配比，完全混合后用标准密度计102精确测量油品密度，即为标定液12，存放于原液桶111内。为保证标定精度，至少应配备密度在测量区间内的4种以上不同密度的液体。本实施例优选为等密度间隔配备5种液体。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结构，本实施例中，优选将密度量程分为如下四段0. 69g/cm3 0. 74g/cm3、0. 74g/cm3 0. 79g/cm3、0. 79g/cm3 0. 84g/cm3、0. 84g/cm3 0. 89g/cm3。3、在20°C实验环境下，按照附图7正确连接各组件，接通复合传感器100电源，开启上位机8，上位机8的显示装置显示当前液位浮子3和密度浮子4距底端的距离。4、第一阀门114、第二阀门117及密度阀门104调整至关闭状态。5、打开第一阀门114，开启液泵113，往标定桶9中输入第一组标定液12，直至达到所需液位，关闭第一阀门114，同时关闭液泵113，静置待油品稳定，泡沫消除。6、打开密度阀门104，待旁通管101中液位上升到一定高度并稳定后，放入标准密度计102，读取当前液体实际密度值，并录入上位机8中。7、打开第二阀门117，使标定桶9与旁通管101中的标定液12完全流入储液桶1112 中。8、换用其它几组标定液12重复第4到第7步。9、在上位机8中点击计算标定曲线按钮，软件程序设定以浮子间距Ah为自变量，液体密度P为函数，利用多项式拟合算法对测得的数据进行处理，从而得到浮子间距Ah与液体密度P的标定关系式p = K3 ( A h)3+K2 ( A h)2+K1 ( A h) +K0为保证测量精度，多项式拟合阶数应在三阶以上，本实施例优选为三阶。10、将标定关系式各项系数I、K1, K2, K3发送到复合传感器100的单片机225内，最终实现密度标定。本发明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100及其密度标定系统及方法，其液位测量分辨率可达0. 01_，精度0. 2_，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13A、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，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明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发明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发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种在线液体检测装置，其特征在于，包括 ー复合传感器，包括 ー测杆，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； 一电子仓，与所述测杆的一端连接，用于得到待测液体的液位、密度及温度数据，所述电子仓包括 一敏感元件头，与所述波导丝电性连接； ー电路板，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； ー单片机，分别与所述时间測量电路、所述激励电路及所述温度传感器电性连接，所述单片机包括浮子位置校正模块、參数存储模块及密度计算模块； 一通信电路，与所述单片机电性连接； 一数据输出系统，与所述电子仓电性连接，用于输出或显示所述液位、密度及温度数据。
2.如权利要求I所述的在线液体检测装置，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渉的密度测杆，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所述的在线液体检测装置，其特征在干，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所述的在线液体检测装置，其特征在干，所述的数据输出系统为ー上位机、一显不器或一打印机。
5.一种在线液体检测装置的密度标定系统，其特征在于，包括 复合传感器，所述复合传感器为上述权利要求I 4中任意一项所述的复合传感器； 上位机，与所述复合传感器电连接，包括 数据采集模块，所述数据采集模块用于采集数据信息，所述数据信息包括所述复合传感器输出的所述密度浮子及所述液位浮子的浮子间距及标定用液体的密度数据； 数据处理模块，所述数据处理模块利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式； 数据输出模块，所述数据输出模块将得到的所述标定关系式的系数发送到所述单片机内，所述单片机的參数存储模块储存所述标定关系式的系数；标定桶，所述标定桶内盛装有用于密度标定的标定液，所述复合传感器垂直放置于所述标定桶内。
6.如权利要求5所述的密度标定系统，其特征在于，还包括同步标准密度測量装置，所述同步标准密度測量装置包括旁通管及标准密度计，所述旁通管通过密度管路与所述标定桶连通，所述密度管路上设置有密度阀门，所述标准密度计放置于所述旁通管内以同步测量待测标定液的密度。
7.如权利要求6所述的密度标定系统，其特征在于，还包括待测标定液更换装置，所述待测标定液更换装置用于盛装不同密度的待测标定液，包括多组更换液桶组，所述更换液桶组包括原液桶和储液桶，所述原液桶与所述储液桶之间通过第一管路连通，所述第一管路上设置有液泵和第一阀门，所述储液桶与所述标定桶之间通过第二管路连通，所述第一管路与所述第二管路通过一三通连通，所述第二管路上靠近所述储液桶的入口处设置有第ニ阀门。
8.—种在线液体检测装置的密度标定方法，其特征在于，采用如上述权利要求5所述的密度标定系统实现密度标定，包括如下步骤 a、准备标定液准备多组不同密度的用于密度标定的标定液； b、盛装标定液将其中ー种密度的所述标定液盛装入所述标定桶直至达到所需液位； C、数据信息采集接通所述复合传感器的电源并开启所述上位机,所述上位机的数据采集模块采集所述数据信息，并将所述数据信息传送到所述数据处理模块； d、更换另ー种密度的标定液，重复上述步骤b C，直至完成所准备的各组标定液的信息采集； e、数据信息处理所述数据处理模块利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式； f、数据处理结果输出及储存所述数据输出模块将所述标定关系式的各项系数发送到所述单片机内，所述单片机的參数存储模块储存所述标定关系式的系数，完成密度标定；
9.一种在线液体检测装置的密度标定方法，其特征在于，采用如上述权利要求7所述的密度标定系统实现密度标定，包括如下步骤 a、准备标定液准备多组不同密度的用于密度标定的标定液，并将不同密度的标定液分别盛装入不同的所述更换液桶组的原液桶中； b、盛装标定液打开其中ー组所述更换液桶组的所述第一阀门及所述液泵，将其中一种密度的所述标定液输入所述标定桶直至达到所需液位后，关闭所述第一阀门及所述液栗; c、标定液密度值同步测定打开密度阀门，待所述旁通管中液位上升到一定高度并稳定后，放入所述标准密度计，读取当前液体实际密度值； d、数据信息采集接通所述复合传感器的电源并开启所述上位机,所述上位机的数据采集模块采集所述数据信息，并将所述数据信息传送到所述数据处理模块； e、清空标定桶打开第二阀门，使所述标定桶与所述旁通管中的标定液完全流入所述储液桶中； f、更换另ー组所述更换液桶组，重复上述步骤b e，直至完成所准备的各组标定液的イ目息米集;g、数据信息处理所述数据处理模块利用多项式拟合算法对所述数据信息进行处理，并得到所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式； h、数据处理结果输出及储存所述数据输出模块将所述标定关系式的各项系数发送到所述单片机内，所述单片机的參数存储模块储存所述标定关系式的系数，完成密度标定。
10.如权利要求8或9所述的密度标定方法，其特征在于，所述数据信息处理步骤所得到的所述浮子间距与待测液体密度的标定关系式为 P = K3 ( A h) 3+K2 ( A h) 2+K: ( A h) +K0 其中，Ah为所述浮子间距，P为液体密度，WK2, K3为标定关系式的系数。
全文摘要
一种在线液体检测装置及其密度标定系统和方法，该在线液体检测装置包括复合传感器及数据输出系统，该复合传感器包括测杆；电子仓，与该测杆的一端连接；液位浮子，其内部固定有永久磁环，该液位浮子自由套装于该测杆的外管上；密度浮子，设置于该液位浮子下方并自由套装于该测杆的外管上，其内部固定有永久磁环；温度传感器，设置在该测杆内并安装在该保护套管上，与该电子仓电性连接。该密度标定系统包括上位机、复合传感器和标定桶。本发明可以对液体的多项参数实现低成本、高精度、高分辨率的在线测量，可用于加油站、石油化工及医药、食品饮料加工等行业。
文档编号G01N9/12GK102778254SQ20111012010
公开日2012年11月14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, 陈实 申请人:北京航天金泰星测技术有限公司