基于DA-130N超声波密度计的高精度盐田遥测用密度传感器研制.pdf

1DA-130N超声波密度计及其改进1.1DA-130N超声波密度计进样器结构改进测量液体的密度可以采用浮力式、重力式、压差式、振动式和超声波式等多种传感器1。振动管式密度测量方法在美国、日本和英国等发达工业国家都有大量工业产品出现，国内石油化工科学研究院赵知礼等也将美国专利技术3应用于便携式流体密度计。根据文献所述，电磁力激振器的起振原理决定了双型管的抗外部振动干扰特性要远优于单型管2，根据盐田现场使用经验，我们选择日本京都电子工业株式会社（KEM）的便携式 DA-130N 密度计（以下简称DA-130N）作为密度检测传感器。其主要技术指标为4：（1）测定原理，（双）U型管振荡方式。（2）测试物质，适用于各种液体试样。（3）密度测量范围，0.000 02.000 0 g/cm3。（4）密度准确度，0.001 g/cm3。（5）密度分辨率，0.000 1 g/cm3。（6）温度测量范围，040C。（7）环境温度，050C。（8）采样方式，手动泵注射筒方式（粘度小于2 000 mPas），或使用注射器注入。（9）外部输出，内置红外线输出或RS-232C连接线输出。由以上9个技术指标可见，除环境温度指标不适合盐田或盐湖野外环境外，其他指标均符合我们的要求。特别值得一提的是：（1）采用U型管振荡方式的测定原理，取样量非常少（实测约2 mL）；（2）手动注射器采样方式，为自动进样方式的改造提供了基础；（3）RS-232C连接线的外部输出为其与外部数据采集控制单元的数据交换提供了简单的数据接口。以上3点中，（1）、（2）两点有利于自动采样系统的采样和清洗转置的小型化、低成本设计，而（3）的RS-232C连接线可以大大简化数据采集控制单元的编程工作。DA-130N超声波密度计进样器结构改进如图1所示，图1A为DA-130N的注射器进样部分4。拆下图1进样器结构改进示意图Fig.1Schematic diagram of sampler structure improvement房毅卓，陈亮.基于DA-130N超声波密度计的高精度盐田遥测用密度传感器研制 J.盐湖研究，2023，31（3）：114-118.Fang Y，Chen L.Development of high Precision density sensor used in saltern telemetry based on DA-130N ultrasonic densitometer J.Journal of Salt Lake Research，2023，31（3）：114-118.DOI：10.12119/j.yhyj.202303014基于DA-130N超声波密度计的高精度盐田遥测用密度传感器研制房毅卓1*，陈亮2（1.广东机电职业技术学院，广东 广州510515；2.中国科学院青海盐湖研究所，青海 西宁810008）摘要：介绍了基于DA-130N超声波密度计的高精度盐田遥测用密度传感器研制，为盐湖化工生产中的盐田卤水密度这一核心参数的自动化检测提供了一种可自动清洗的专用密度传感器方案，该方案也可用于其他常温液体化工生产线的密度检测。关键词：传感器；密度；采样；控制中图分类号：O657.153.6文献标识码：A文章编号：1008-858X（2023）03-0114-05收稿日期：2021-12-03；修回日期：2022-01-02基金项目：国家自然基金项目（41671521）；国家自然基金项目（U20A2088）；青海省科技基础条件平台项目（2020-ZJ-T03）作者简介：房毅卓（1965-），男，教授，主要研究方向自动控制技术。E-mail：。第 31 卷第 3 期2 0 2 3年 9 月JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH盐湖研究Vol.31 No.3Sep.2023房毅卓，等：基于DA-130N超声波密度计的高精度盐田遥测用密度传感器研制第3期箭头位置的密封螺丝后，可连接注射器附件。将图1B的微型低压直流蠕动泵的一个软管接入注射器附件位置，即可用微型低压直流蠕动泵运转产生负压取代注射器，通过控制微型低压直流蠕动泵运转方向，即可实现卤水的进样和清洗液的流向控制。下面对基于DA-130N超声波密度计构成的高精度盐田密度传感器的自动采样系统的采样和清洗转置和数据采集控制单元的编程进行简要介绍。1.2DA-130N自动采样和清洗转置DA-130N的采样部分如图14所示，我们将微型直流蠕动泵一端的透明硅橡胶输液管连接在 DA-130N预留的注射器采样接口处，这样就可以利用蠕动泵产生的负压将卤水抽进U型振荡管内。采样部分的结构如图2。M1为微型低压直流双向牵引电动机，用于采样管的位置控制；M2为微型低压直流蠕动泵，用于卤水采样和采样管清洗液控制；M3为微型低压直流震动电动机，用于通过震动提高采样管排空效率；M4为微型低压直流电磁阀，通过控制它实现利用虹吸现象排空采样管内的卤水或清洗剂。另外，采样管上部为耐低温的硅橡胶管，下部为密度大于卤水且表面疏水的聚四氟乙烯管。1.2.1采样准备阶段数据采集控制单元在设定的采样时间到来后，数据采集控制单元控制采样管升降电动机M1驱动采样管向下运动。数据采集控制单元通过检测M1的电流，判断采样管管口是否进入卤水水面。当采样管管口进入卤水并吸入卤水后，由于采样管上端处于封闭状态，卤水不能进入下部采样管；随着卤水对采样管的浮力逐步增大，M1的电流会明显减小，数据采集控制单元据此判断采样管管口是否到达卤水水面。为了防止采样过程中因盐田卤水波动导致采样管吸入空气而影响测量数据，采样管升降电动机M1将继续运转数秒后再停止，以保证采样管管口始终浸没在卤水中。1.2.2采样阶段开启3.3V电源模块MD4为DA-130N通电，并启动蠕动泵M2进入缓慢吸入卤水状态，同时采集来自DA-130N通过红外线窗口向RS-232C连接线发送的密度数据。当采集到的密度数据大于1 g/cm3时，说明卤水开始进入DA-130N内部的U型振荡管。随着卤水不断被吸入U型振荡管，密度数据逐步趋于稳定，当采集到的密度数据连续5次误差小于0.005时，则表示本次数据采集结束，蠕动泵M2停止。1.2.3排空清洗阶段排空清洗阶段包括如下步骤：1.启动排空电磁阀M4（通电10秒），利用虹吸作用将蠕动泵M2以下全部采样管路中的卤水放入盐田；然后开启震动电动机M3引发采样管震动，利用震动促进采样管壁上附着的卤水与采样管分离，10秒后关闭排空电磁阀M4。2.控制蠕动泵 M2 反向转动，将适量（约 23mL）清洗液泵入采样管；然后关闭蠕动泵M2，10秒后开启排空电磁阀M4，将清洗液放入盐田。3.启动采样管升降电动机M1驱动采样管向上运动，当采样管上的限位环LR上升到硅橡胶板制成的弹性限位模块SR时，M1内部的电动机因处于堵转状态，工作电流急剧增加；数据采集控制单元立刻向M1发出停止信号，使采样管停在初始位置，系统复位完成。考虑到盐田自然环境非常恶劣，为了降低系统故障率，电路设计采用了最简捷的设计。在采用模块化设计的同时，采样管升降电动机M1的上升到位停止信号和下降停止信号R是通过安装在数据采集控制单元内部，利用压直流电动机驱动电路模块接地线上的取样电阻的电压与模块总电流的相关关系，实现对升降电动机M1的运行状态检测。另外，利用DA-130N测量出的密度数据比较算法程序间接确定双U型震荡管内的卤水吸入情况，进而控制蠕动泵M2在采用期间的工作状态。此外安装过程中应注意：1.蠕动泵 M3 到 DA-130N之间的管路长度应大于200 mm，目的是在吸入卤水测量密度时，阻止卤水进入蠕动泵内部管路，确保内部管路不被卤水侵蚀；2.头部300 mm采用聚四图2采样部分的工作原理示意图Fig.2Sampling part of the working principle diagram115盐湖研究第 31卷氟乙烯管，利用聚四氟乙烯优良的表面疏水、耐腐蚀、耐低温特性以保证通过有效震动除去管壁附着的卤水和结晶盐。2数据采集控制单元设计2.1数据采集控制单元电路设计数据采集控制单元电路原理如图3所示。其核心元件MCU为宏晶科技有限公司内部自带10位AD转换的STC15W401AS的DPI16脚单片机，用于完成对上述 M1M4 的控制，并接收来自 DA-130N 红外线窗口的密度数据。图中 MD1 为 RS-232 转 TTL 电平串行通信接口电平转换模块，用于接收从 DA-130N红外线窗口发出且经红外线串行通信RS-232C接口模块转换格式的密度数据；MD2和MD3为低压直流电动机驱动模块，其中MD2用于驱动震动电机M3和电磁阀 M4，MD3用于驱动采样管升降电动机M1和采样蠕动泵M2。MD4为3.3 V稳压电源模块，用 于 在 单 片 机 MCU 控 制 下 为 DA-130N 供 电。STC15W401AS 型 DPI16 脚单片机主要参数2如下：电源电压，2.5 5.5 V；FLASH，2 K；片内AD，10位6路；串行通信口，2路；掉电唤醒定时器，有。STC15W401AS型DPI16脚单片机的引脚分布如图42所示。选择STC15W401AS型DPI16脚单片机的优点是 STC15W401AS 内部自带 10 位 AD 转换功能，M1、M2的工作电流检测电路仅需在图3所示电路中的MD2模块的接地线上串联一个低值电阻，即可用于检测采样管升降电动机M1和采样蠕动泵M2的 工 作 电 流，进 而 判 断 它 们 各 自 的 运 转 状 态；STC15W401AS有2个串行通信端口，其中一个串行通信端口用于读取来自DA-130N的密度数据，另一个串行通信端口则可在遥测系统开发时用于它与遥测模块的数据通信；掉电唤醒定时器在对测量时间准确性要求不高的盐田监测系统可以作为准时钟使用，并利用掉电唤醒定时器编程实现系统的超低功耗运行（即掉电状态运行）。为了简化电路设计降低电路故障率，数据采集控制单元采用了 4 个专用功能模块电路（如图 5）。其中图 5A 为 MD1，是 RS232 转 TTL 电平专用模块。将IrDA红外接收器输出的RS-232电平转换成与单片机对应的TTL电平。图5B为2路直流电机驱动板模块，对应图3中的MD2、MD3模块。MD2用于驱动震动电机M3和排空电磁阀M4，MD2也用于驱动采样管升降电动机M1和采样蠕动泵M2，并实现直流电动机正、反向转动控制。图5C为3.3 V专用高效率电源变换模块（型号KIS-3R33S），用于将5V电压转换成3.3 V，为DA-130N提供稳定电源。DA-130N原配套选购的红外线转换器价格高达3 000余元，实验证明使用图6所示价格便宜的通用型IR220红外线数据转换接收器进行数据解码，并将其输出的RS-232电平转换成TTL电平可以被数据采集单元正确读取。2.2数据采集控制单元程序设计数据采集控制单元的控制流程如图7所示。由于数据采集控制单元系统设计非常简捷，且工作流图3数据采集控制单元电路原理图Fig.3Data acquisition control unit circuit principle diagram图4STC15W401AS型DPI16脚单片机的引脚分布图Fig.4Pin distribution diagram of STC15W401AS DPI16 chipmicrocomputer图5专用功能模块电路Fig.5Special function module circuit116房毅卓，等：基于DA-130N超声波密度计的高精度盐田遥测用密度传感器研制第3期程也比较简单，因此控制程序代码也非常简单。以下为测量密度数据的部分C51语言代码：value4=get_BD（）；/获取最新数据sum=0；for（i=0；i5；i+）sum+=BD i；/求和aver_BD=sum/5；/求平均值/找出最大误差max_error=abs（BD 0-aver_BD）；for（i=1；imax_error）max_error=error；limit_error=aver_value*0.001；/千分之一if（max_errorlimit_error）BD=aver_BD；/保存当前密度数据 4结论以当前盐湖化工生产中盐田数据测量用高精度超声波密度计为密度测量传感器；利用IR220红外线数据转换接收器模块作为DA-130N密度计与单片机控制单元之间的数据接口；以廉价的STC15W401AS单片机为核心，结合4个专用模块及微型低压直流蠕动泵等部件构成了盐田生产使用的简单机电一体化自动高精度盐田密度传感器单元，为野外恶劣环境下的盐田无人遥测系统的开发奠定了基础。在开发盐田无人遥测系统时，只需将数据传输模块或其它遥测系统的串行数据通信端口和 STC15W401AS单片机的另一个串行数据通信端口连接，增加少量通信代码后即可构成完整的遥测系统。需要特别说明的是由于盐田冬天温度低于-40，为避免管路清洗液污染盐田，清洗液建议采用耐低温的酒精溶液；采用成品DA-130N密度计作为密度传感器系统成本偏高，今后应着重开发DA-130N密度计 U 型管密度检测部分，以降低系统成本；DA-130N密度计接通电源后即自动进入测量状态，系统仅需控制其电源即可。致谢：研发项目得到了中国科学院青海盐湖研究所马海洲研究员的悉心指导，在此诚挚感谢！参考文献：1 陈文祥.盐田工艺控制管理系统的初探与研究 J.盐科学与化工，2021，07：302 余强.双 U 型管式高温高压流体密度传感器 J.测井技术.2011，10：图7数据采集控制单元的控制流程图Fig.7 Data acquisition control unit circuit principle diagram图6数据采集控制单元的控制流程图Fig.6Data acquisition control unit circuit principle diagram117盐湖研究第 31卷Development of High Precision Density Sensor Used in Saltern TelemetryBased on DA-130N Ultrasonic DensitometerFANG Yi-zhuo1*，CHEN Liang2（1.Guangdong Mechanic&Electrical Polytechnic，Guangzhou，510515，China；2.Qinghai Institute of Salt Lakes Chinese Academy of Sciences，Xining，810008，China）Abstract：This paper introduces the development of high precision density sensor used in saltern telemetrybased on DA-130N ultrasonic densitometer.It provides a special density sensor scheme automatically cleanning for the automatic detection of brine density，which is the core parameter of saltern production management system in salt lake chemical production.The scheme can also be used for density detection of other normal temperature liquid chemical production lines.Keywords：The sensor；Density；Sampling；Control3 James R Ruesch.Apparatus and Methods for Measur-ing the Density of an Unknown Fluid Using a CoriolisMeter：USA，US4876，879 P.1989-10-314 成都锐新仪器仪表有限公司译制.DA-130N手持式密度计比重计使用说明书Ver00 Z.5 STC（宏晶）科技有限公司.STC11/10 xx系列单片机器件手册Z.2015，8（553）.118