專利名稱：溶液濃度測量的磁稱量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種磁稱量裝置，特別是涉及一種適用于化工、制藥、食品工業(yè)、溶液法晶體生長等溶液濃度的實時測量裝置。
溶液濃度是根據(jù)溶質(zhì)在溶劑中的含量來計算，在實際應(yīng)用中由于溶質(zhì)量的變化，溶液濃度也在改變。溶液濃度的測量方式分為直接測量和間接測量方式。直接提取溶液測定溶液中溶劑和溶質(zhì)含量是最基本的方法，但由于提取溶液會影響到溶液的狀態(tài)，不適宜應(yīng)用于需要嚴(yán)格控制溶液狀態(tài)的環(huán)境中；另一種是化工上常用的采用比重計測量溶液濃度的方法，主要依靠人工完成。這二種方法屬于溶液濃度直接測量方式。間接測量方式則是以溶液的特性為依據(jù)，如溶液的電導(dǎo)率大小，溶液特征光譜的強(qiáng)弱等來衡量溶液中溶質(zhì)量的多少，具有不影響溶液的狀態(tài)的特點。王圣來等(用于晶體生長過程溶液濃度實時測量的變壓器型電導(dǎo)儀，人工晶體學(xué)報Vol.28No.4(1999)392-396)和P.F.Bordui等(″In-Line Bulk SupersaturationMeasurement By Electrical Conductometry In.KDP Crystal Growth FromAqueous Solution″Journal of Crystal Growth 67(1984)168)報道采用通過測量溶液電導(dǎo)率方法來實時計算KDP溶液飽和度數(shù)值，Kuehbergert等(“Improved product quality at a cooling crystallization process by measurementand control of supersaturation”Kuehbergert et al，Trans IChemE，Vol75，PartA，F(xiàn)ebruary 1997)報道在結(jié)晶溶液中放入Peltier-element(半導(dǎo)體器件)制冷觀察溶質(zhì)析出情況來實時計算溶液飽和度數(shù)值。張克從(《晶體生長科學(xué)與技術(shù)》科學(xué)出版社1997，P182-P187)介紹了采用平衡法、濃度渦流法、光學(xué)效應(yīng)法來分析溶液是否處于飽和狀態(tài)等。在這些方法中，王圣來及Bordui采用這種附加電場進(jìn)行測量的方式是目前國際上常用的用于測量電解質(zhì)溶液濃度的原理，其依據(jù)是電解質(zhì)溶液中離子的數(shù)量與溶液溶質(zhì)含量存在的對應(yīng)關(guān)系。這種方法與直接測量法相比較有一些不足之處，首先是該方法只能應(yīng)用于電解質(zhì)溶液，其次衡量電解質(zhì)特性的物理量電導(dǎo)率σ大小與溶質(zhì)含量C并非顯性的對應(yīng)關(guān)系，還與溶液的溫度T相關(guān)，并且在高濃度下存在著飽和效應(yīng)。Bordui在其文獻(xiàn)中通過實驗定標(biāo)找出C(σ，T)的關(guān)系，王圣來等報道表明了在高濃度下電導(dǎo)率與濃度成非線性比率關(guān)系，飽和效應(yīng)限制了濃度的測量范圍。其它方法如Kuehbergert的方法因需要制冷會影響溶液本身溫度，測量裝置復(fù)雜，張克從介紹的光學(xué)方法在觀察中會受到液體流動因素的影響等，不適合應(yīng)用于實際場合。
我們通過分析溶液濃度的測量方式和幾種溶液濃度測量方法的優(yōu)點以及各自存在的不足，設(shè)計一種新的方法和實現(xiàn)的裝置用于溶液濃度實時測量，其原理是根據(jù)溶液的密度與溶質(zhì)含量的顯性對應(yīng)關(guān)系而實現(xiàn)的，具有直接測量方式的特點。在裝置中采用磁力作用傳感，不需要提取溶液進(jìn)行測量，也不會影響到溶液的狀態(tài)，又具有間接測量方式的特點。
本實用新型的目的就在于設(shè)計一種兼具直接測量方式和間接測量方式特點的用于溶液濃度實時測量的磁稱量裝置，并公開其使用方法。本實用新型特別適用于溶液法晶體生長過程中溶質(zhì)濃度的測量。
磁稱量裝置由磁稱量管及與微機(jī)接口通訊的控制電路組成，核心部分是磁稱量管。磁稱量管由載磁體(4)、稱量線圈(2)、移動傳感器(5)及套管式隔離腔體(1)和套環(huán)(3)組成，如

圖1所示。其中，載磁體(4)的外觀形狀為凸型、球體、橢球體或圓柱體，材料為玻璃、塑料王(聚四氟乙烯)或聚丙烯。載磁體內(nèi)磁致元件采用環(huán)氧磁體或釹鐵硼稀土磁性材料制成。稱量線圈(2)用于產(chǎn)生磁吸引力。移動傳感器(5)由發(fā)光二極管和接收二極管組成，用于監(jiān)測載磁體運(yùn)動。
該裝置應(yīng)用于液體溶液濃度的測量如圖2所示，磁稱量管(6)浸沒于待測溶液(9)中，微機(jī)(8)通過控制接口(7)向磁稱量裝置(6)提供驅(qū)動電流，當(dāng)驅(qū)動電流強(qiáng)度逐步增加吸引載磁體(4)發(fā)生移動時，磁稱量裝置(6)中的移動傳感器(5)通過控制接口(7)向微機(jī)(8)傳輸指示信號，微機(jī)(8)記錄此刻提供的驅(qū)動電流強(qiáng)度并通過計算得到當(dāng)前溶液的濃度數(shù)值。
內(nèi)套管壁上的稱量線圈(2)由外界微機(jī)接口(7)提供控制電流驅(qū)動產(chǎn)生磁場吸引置于腔外內(nèi)管溶液中的載磁體(4)，移動傳感器(5)用于監(jiān)測載磁體(4)的位置。當(dāng)稱量線圈(2)的驅(qū)動電流達(dá)一定強(qiáng)度時吸引載磁體(4)向線圈方向移動，移動傳感器(5)感受到載磁體運(yùn)動并向微機(jī)接口(7)發(fā)出指示信號，微機(jī)記錄此時提供控制電流的強(qiáng)度。由于溶液的濃度與密度是單值對應(yīng)的，不同濃度下載磁體(4)所受浮力大小是不同的，因而驅(qū)動載磁體(4)產(chǎn)生運(yùn)動的電流強(qiáng)度也不相同。對被測溶液中處于平衡狀態(tài)的載磁體(4)作力學(xué)受力分析，得出溶液密度與線圈驅(qū)動電流強(qiáng)度的關(guān)系是Γ(T)＝Γ0+k·B·I/(V·g)＝Γ0+K·IΓ(T)、Γ0分別為溶液的密度和載磁體的密度，V、g為載磁體體積和重力加速度數(shù)值，B為載磁體的磁性強(qiáng)度，I為驅(qū)動稱量線圈的電流強(qiáng)度，k為電流與載磁體磁性相作用的耦合因子，K＝k·B/(V·g)。
由上式看出，測量物理量I與溶液的密度成正比關(guān)系，若在已知濃度的溶液中進(jìn)行測量，可反求出K的數(shù)值，完成磁稱量裝置的定標(biāo)后可應(yīng)用于該種類的溶液濃度的實時測量。使用本實用新型的磁稱量裝置及其測量方法既適用于無機(jī)溶液濃度的測量，如KDP晶體生長溶液和ADP晶體生長溶液等溶液濃度的測量；也適用于有機(jī)溶液濃度的測量，如甲醇、二氯甲烷溶液等溶液濃度的測量。
本發(fā)明的測量方法與已有的飽和度測量方法相比，其有益的效果是(1)與直接測量方法相比較，該發(fā)明的方法可由微機(jī)自動完成，無需人工操作，無需提取溶液，也不影響溶液狀態(tài)。(2)與電導(dǎo)率測量方法相比，該發(fā)明的方法能適用于無機(jī)及有機(jī)溶液濃度的測量，測量響應(yīng)的線性度高，不存在飽和效應(yīng)的影響，也能應(yīng)用于超高過飽和溶液。(3)與光學(xué)測量方法相比較，該發(fā)明的方法不受溶液流動的影響，可以在擾動溶液環(huán)境中進(jìn)行實時測量。
現(xiàn)對附圖作圖面說明圖1是磁稱量裝置的示意圖，其中(1)為套管壁、(2)為稱量線圈、(3)為套環(huán)、(4)為載磁體、(5)為移動傳感器。圖2是磁稱量裝置應(yīng)用于晶體生長溶液濃度的實時測量圖，其中(6)為磁稱量管、(7)為微機(jī)接口、(8)為控制微機(jī)、(9)為待測溶液、(10)為生長的晶體、(11)為攪拌器。
最后舉出一個典型的實施例我們將根據(jù)溶液的密度與溶質(zhì)含量的顯性對應(yīng)關(guān)系而設(shè)計出的稱為磁稱量裝置的濃度測量儀器應(yīng)用于對KDP晶體生長溶液濃度進(jìn)行測量，精度達(dá)到±0.05gKDP/100g水，在溫區(qū)40℃～60℃范圍內(nèi)與直接測量法測量結(jié)果相比較見下表，二種方法測量的結(jié)果符合很好。
表 磁稱量法與直接法對KDP飽和溶液濃度測量結(jié)果的比較
權(quán)利要求1.一種溶液濃度測量的磁稱量裝置，其特征在于該裝置由載磁體(4)、稱量線圈(2)、移動傳感器(5)及套管式隔離腔體(1)和套環(huán)(3)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的溶液濃度測量的磁稱量裝置，其特征在于所述的載磁體(4)的外觀形狀為凸型、球體、橢球體或圓柱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的溶液濃度測量的磁稱量裝置，其特征在于所述的載磁體(4)的材料為玻璃、塑料王(聚四氟乙烯)或聚丙烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3的溶液濃度測量的磁稱量裝置，其特征在于所述的載磁體(4)內(nèi)的磁致元件采用環(huán)氧磁體或釹鐵硼稀土磁性材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的溶液濃度測量的磁稱量裝置，其特征在于所述的移動傳感器(5)由發(fā)光二極管和接收二極管組成。
專利摘要一種溶液濃度測量的磁稱量裝置，它是根據(jù)溶液的密度與溶質(zhì)含量的顯性對應(yīng)關(guān)系而設(shè)計的，由載磁體(4)、稱量線圈(2)、移動傳感器(5)及套管式隔離腔體(1)和套環(huán)(3)組成。它用于溶液濃度的實時測量，兼具直接測量方式和間接測量方式的特點。在測量時，無需提取溶液，既適用于無機(jī)溶液，也適用于有機(jī)溶液濃度的測量，并可在擾動溶液的環(huán)境中使用。用該裝置測量溶液的濃度，其結(jié)果與用直接法的測量結(jié)果很一致。
文檔編號G01N5/02GK2531382SQ0126552
公開日2003年1月15日 申請日期2001年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月24日
發(fā)明者莊欣欣, 蘇根博, 李征東, 賀友平, 馬錦波, 李國輝 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所