几种液体密度测量原理的比较

根据测量原理, 有关密度的测量方式可分成两大类: 一是源于密度基本公式的直接测量, 二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量。在工业生产中更多使用间接测量的方法, 间接测量具有快速、直接、便于计算机实时监控的优点。

根据测量原理, 有关密度的测量方式可分成两大类: 一是源于密度基本公式的直接测量, 二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量。在工业生产中更多使用间接测量的方法, 间接测量具有快速、直接、便于计算机实时监控的优点。

1、 谐振式液体密度传感器

谐振式测量原理是通过谐振子的振动特性来实现的。谐振子在工作过程中, 可以等效为一个单自由度系统, 以系统的固有频率振动, 系统的固有频率只与系统中的等效质量me 和等效弹性系数ke有关。其公式为:

f= 2πme e1k （1）

如图1所示，谐振式密度传感器的测量原理是通过系统中的弹性敏感元件和液体相接触, 从而改变了系统的等效质量, 使得系统的固有频率发生了变化。通过测量系统的固有频率的变化, 确定待测液体的密度。

根据弹性力学理论，可以推出谐振子的振动频率与液体密度的关系： ρ=ρ0 ω 1 =ρ0 Tω02T2

0 1 （2）

式中，p为筒内液体的密度； ω，ω0 分别为圆筒谐振子在空气中和筒内充满液

体时的振动角频率； To，T分别为圆筒谐振子在空气中和筒内充满液体时的振动周期； ρ0为谐振子的结构和材料决定的常数。

根据谐振子的形状可以分为薄板式、音叉式、振弦式、U型管式、双管式、单管式等，这种传感器的测量精度一般为0. 05%。

振动式液体密度传感器的主要优点: 可以直接在线测量液体密度; 测量精度比较高, 作为频域仪器, 输出本身为数字量。主要缺点: 对液体的流动有一定限制, 即液体流动不能太快; 由于机械惯性作用, 得到谐振需要一定的时间, 因此有一定的响应延时; 测量多相流体有困难。

音叉式和管式做个比较的话，音叉式液体密度传感器是利用小质量的音叉在

根据测量原理, 有关密度的测量方式可分成两大类: 一是源于密度基本公式的直接测量, 二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量。在工业生产中更多使用间接测量的方法, 间接测量具有快速、直接、便于计算机实时监控的优点。

液体中振动时其固有频率的变化来测量液体的密度的, 如图2所示。一般有两种方式: 一是将音叉置于测量腔体内, 液体流经腔体, 用电磁方式驱动音叉振动; 另一种方式是将音叉直接安装在管线上。通常用微处理器来控制音叉的振动频率、检验谐振频率, 并将频率量转换成密度值。为了满足高精度测量的要求, 需检测谐振频率的微小变化, 因此应合理地设计振动单元, 使振动单元有一个比较高的机械品质因数( Q值) 。一般音叉常用不锈钢或玻璃制成,结构比振动管式简单。

图 2 音叉式密度传感器

下面以北京世通科创技术有限公司的TQ-889投入式密度计为例，如图3所示，简单介绍一下振动式液体密度传感器一般的性能参数。TQ-889是北京世通科创技术有限公司引进美国技术，基于振动原理开发并结合实际使用工况开发的一款高精度投入式密度计，可广泛运用于封闭式或开阔的罐体，槽体，导流渠和明渠。

图3 TQ-889

TQ-889性能参数如下： ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 测量范围

标定范围

测量精度

重复性

操作温度范围

最大工作压力 0 – 3 g /cc (0 – 3000 kg/m^3) 0.6 – 1.25 g /cc (600 – 1250 kg/m^3) ± 0.001 g /cc (± 1 kg/m^3) ± 0.0001 g /cc (± 0.1 kg/m^3) -50

℃

~ +200℃ 20Mpa

根据测量原理, 有关密度的测量方式可分成两大类: 一是源于密度基本公式的直接测量, 二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量。在工业生产中更多使用间接测量的方法, 间接测量具有快速、直接、便于计算机实时监控的优点。

流体粘度范围 0 – 20000 cP

温度系数 0.1 kg/m^3/℃ (校正后)

压力影响 可忽略不计

内置温度传感器 PT100

接液材质 不锈钢，哈氏合金 C22，锰合金 400,钛合金等

叉体涂层 标准型，PTFE 或电解抛光 供电电源 20 – 28 VDC，35 – 45 mA

模拟信号输出 4 – 20 mA，隔离式，非自供电型

输出精度(20℃) 读数的± 0.1%或± 0.05% FS

输出重复性(-40 ~ +85℃) ± 0.05% FS

防护等级 IP65

外壳 316L不锈钢（特殊行业可根据特殊要求更换）

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振动筒是传感器的核心部件，振动筒的结构性能直接影响传感器的性能参数。通过有限元分析，确定圆筒谐振子的尺寸参数。在振动筒的设计中的有些关键因素要考虑：1）温度变化会引起材料的几何参数、弹性模量、材料密度变化以及工作介质变化，从而引起振动周期变化。为减少温度误差，振动筒应该选择合适 的材料。2）外界压力变化会引起振动筒变形, 影响振动筒振动频率。采取的措施是选择对压力变化不敏感的振型, 同时将振筒浸入油中, 振筒内外压

力相抵, 减少对筒振动频率的影响。3）黏度的影响，由于摩擦力的作用, 使 管壁受到剪切力, 会影响振动筒振动频率。但是如果流体流速很低, 并同振动筒一起运动, 黏度的影响将大大减小。黏度的变化还会影响振筒的振幅, 当黏 度增大, 还需解决振动困难的问题。

在加工工艺的选择上要求也很高，振动筒与底座的刚性连接是薄壁与厚壁的连接, 普通的焊接方法会使薄壁件产生热变形, 而且长时间的热状态会破坏振动部位的金属弹性性能, 使振动筒失效。为此, 要选用了激光焊接工艺。激光加工为脉冲能量, 可以使紧密配合的两部件瞬间融合, 将脉冲频率调节到最佳, 使脉冲点叠加, 可以瞬间熔化金属使之结合, 不会改变金属的物理特性, 能做到较好 的连续焊接。

2、 超声波液体密度传感器

超声波是频率高于20kHz的一种机械波, 超声波在液体介质中只能以纵波的形式传播。其传播的速度、频率、相位及衰减度等均受到介质性质的影响。因此,

根据测量原理, 有关密度的测量方式可分成两大类: 一是源于密度基本公式的直接测量, 二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量。在工业生产中更多使用间接测量的方法, 间接测量具有快速、直接、便于计算机实时监控的优点。

可以利用液体密度和超声波的某些传播性质之间的关系来测量液体的密度。根据所使用的方式不同, 大致可以分为阻抗法、速度法和声体波法几种。阻抗法是以测量介质的声阻抗z 为基础, 声阻抗z和液体密度ρ成单值关系。在大多数情况下, 对平面声波, 其声阻抗和密度存在关系:

z = cρ （3）

其中: c为超声波在液体中的传播速度, 且它也是液体密度的函数, 即c=f (ρ) , 所以有z= F(ρ) 。属于阻抗法的测量方式很多, 但大多是通过测量声压差来测量声阻抗。

速度法是以直接或间接的方式测量超声波在被测介质中的传播速度为基础的。平面超声波在液体中传播时, 其传播速度v和密度ρ存在关系:

Kv= 其中: K为液体的体积弹性模量。可见超声波传播速度和液体介质密度具有一种单值关系。在速度法中常用的是以测量超声波在被测介 …… 此处隐藏：4585字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……