管道内硝酸浓度的超声测量装置 【技术领域】
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种能够准确、可靠地测量管道内硝酸浓度的超声测量装置。背景技术
硝酸是一种重要的化工原料，与工业、农业和国防有着密切的联系。在硝酸的生产过程中，管道内硝酸的浓度经常会发生高低变化。硝酸浓度的高低变化，对于产品的质量、生产的成本以及能源的消耗等经济指标都有直接的影响。国家将化工原料生产的在线分析与计算机自动控制，列入重大攻关项目，管道内硝酸浓度的在线检测就是其中一项迫切需要解决的难题。
长期以来，硝酸浓度的检测一直采用人工取样，化学分析的方法，费工费时，测量精度差。同时由于硝酸是一种强腐蚀的化工原料，人工取样分析时，对化验人员的具体操作造成一定的危险性。发明内容
本发明的目的在于提出一种安全、方便、精度高的测量管道内硝酸浓度的装置。
本发明提出的测量管道内硝酸浓度的装置，应用超声波可以透过固体进行传播的物理原理，通过超声波压电传感器测量出管道内硝酸的声速，同时通过铂热电阻测量出管道内硝酸地温度，再通过计算机双向接口将硝酸的声速和温度传送给微型计算机，微型计算机根据硝酸浓度、声速和温度三者之间的关系计算出管道内硝酸的浓度。该装置由超声测速系统、电阻测温系统、计算分析系统组成，其结构框图如图1所示。其中，超声测速系统由超高速计时器3、窄脉冲发生器4、延时器5、闸门触发器6、超声波发射器7、接收放大器8、电平转换器9、整形器10和超声压电传感器13经线路连接构成，用于测量管道内硝酸的声速，超声压电传感器13直接附置于硝酸管道外壁，并分别与超声波发射器7、接收放大器8连接，窄脉冲发生器4依次与超声发射器7、接收放大器8、电平转换器9、整形器10、闸门触发器6、延时器5电路连接，并再与窄脉冲发生器4电路连接，闸门触发器6还与超高速计时器3电路连接；电阻测温系统由铂热电阻14、测温电路11和AD转换电路12依次电路连接构成，用于测量管道内硝酸的温度，铂热电阻14固定于硝酸管道内壁，测温电路11和AD转换电路12将电阻14的变化值转换成数字量；计算分析系统由微型计算机1和计算机双向接口2组成，并由总线方式连接，双向接口2分别与窄脉冲发生器4、延时器5、超高计时器3、AD转换电路12电路连接，微机1用于总的测量控制、数据计算分析、存贮、输出和显示。
本发明中，信号的变化进程如图2所示。
本发明的动态连接关系(工作过程)如下：
根据图1和图2所示，微型计算机1通过总线方式的计算机双向接口2，输出初始化信号(见附图2(a))，该初始信号一个周期可为1000us，宽度可为0.2us。初始化信号分别送往窄脉冲发生器4、延时器5和超高速计时器3，进行初始化操作。初始化信号首先被送往窄脉冲发生器4，该信号的上升沿使窄脉冲发生器4产生一个发射触发信号(见附图2(b))，该发射信号宽度可为0.2us，经过超声波发射器7后，向安装在硝酸管道外壁上的超声波压电传感器13发出一个超声激励脉冲(见附图2(c))。初始化信号然后被送往延时器5，该信号的上升沿使延时器5产生一个延时脉冲(见附图2(d))，这个延时脉冲被送往闸门触发器6的置1端。在延时脉冲出现的瞬间，闸门触发器6的Q端跳变为高电平(见附图2(g))。最后，初始化信号被送往超高速计时器3，该信号的上升沿使超高速计时器3清零，并同时开始计时。与此同时，超声波在硝酸管道内传播，往返一周后，其反射波又回到超声波压电传感器13，转变为电信号。接收放大器8将超声波反射波信号放大后(见附图2(e))，送往电平转换器9，再经过整形器10的倒相整形后(见附图2(f))，送往闸门触发器6的置0端。闸门触发器6的Q端状态，在超声波反射回波信号出现的瞬间，立即由高电平突变为低电平(见附图2(g))。由于全部采用高速TTL元件，故闸门触发器6输出的高电平脉冲宽度(见附图2)就代表了超声波在硝酸中往返一周的传播时间t。超高速计时器3在这一闸门脉冲的作用下进行精密计时，并将计时结果通过计算机双向接口2送往微型计算机1。
超声波的传播时间t、声速c和声程2L的关系为：
c＝2L/t
微型计算机1根据上述公式将超声波的传播时间t转化为声速c。安装在硝酸管道中的铂热电阻14，将硝酸温度引起的电阻变化经过测温电路11和AD转换器12，变成数字量，再通过计算机双向接口2送往微型计算机1。微型计算机1根据硝酸浓度、声速和温度三者之间的关系进行综合运算后，直接显示和打印出硝酸浓度的瞬时值，同时在屏幕上显示硝酸浓度的变化曲线。
本发明具有如下优点：
1、非接触式。由于超声波压电传感器安装在管道的外壁，因此测量是非接触式的，具有耐腐蚀、不会产生压力损失等优点，可以很好解决防爆防堵等难题。
2、无活动部件。超声波压电传感器可通过环氧树脂的粘贴，安装于硝酸管道的外壁，无活动部件，整个测量系统具有使用寿命长、易于维护等优点。
3、测量过程实时快速。由于超声波在硝酸中的传播速度极快，每次测量不到1秒钟，而且测量过程是连续不断的，因此完全可以满足24小时连续工作的需要。
4、抗噪声干扰能力强。超声波压电传感器采用较高的工作频率，测量过程不受管道的机械噪声和管内硝酸的流体噪声的影响，有很好的抗干扰性能。
5、测量结果准确可靠。只要精密地测出声速和温度，微型计算机即可根据硝酸浓度、声速和温度三者之间的关系，计算出管道内硝酸的浓度。附图说明
图1是为本发明的结构框图。
图2为本发明的原理波形图。
图中标号：1为微型计算机，2为计算机接口，3为超高速计时器，4为窄脉冲发生器，5为延时器，6为闸门触发器，7为超声波发射器，8为接收放大器，9为电平转换器，10为整形器，11为测温电路，12为AD转换器，13为超声波压电传感器，14为铂热电阻，15为管道。具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例，微型计算机1采用386以上的微机，计算机接口2采用74LS245芯片组成，超高速计时器3采用2片74LS393芯片构成，窄脉冲发生器4采用74LS221，延时器5采用74LS221构成，闸门触发器6采用74LS76芯片，超声波发射器7由三极管3DK4B构成，接收放大器8由高速运算放大器LF357构成，电平转换器9由74LS00构成，整形器10由74LS00构成，测温电路11由μPc741构成，AD转换器由ADC0804构成，超声波压电传感器13的谐振频率为2.2MHz，直径为20mm，厚度为1mm。超声波压电传感13通过环氧树脂粘贴，安装于硝酸管道的外壁，铂热电阻14固定于硝酸管道内壁。其余元件、电路按照前述的连接关系进行电路连接，即得所需测量装置。