音叉式液體密度計(jì)測量儀的設(shè)計(jì)

唐桃波，余厚全

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

陳強(qiáng)，徐濤，鄧明

(中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安 710077)

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音叉式液體密度計(jì)測量儀的設(shè)計(jì)

唐桃波，余厚全

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

陳強(qiáng)，徐濤，鄧明

(中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安 710077)

針對現(xiàn)有液體密度檢測方法的不足，提出了一種音叉式液體密度測量方法。根據(jù)音叉的振動頻率隨音叉叉臂間的液體密度改變而改變的原理，利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，用電壓信號驅(qū)動激勵壓電陶瓷來使音叉振動，同時拾振壓電陶瓷拾取振動信號并轉(zhuǎn)化成方波信號。通過測量該方波信號的頻率就能測出液體密度，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一套音叉式密度測量儀。該音叉式密度檢測方法較適合于液體密度的檢測,檢測精度高、且直接在檢測點(diǎn)上將液體密度轉(zhuǎn)化成了頻率，便于數(shù)字化，且精度高，操作簡單，大大提高了檢測效率，可以滿足高精度液體密度測量要求。

音叉；液體密度；測量儀；壓電陶瓷

液體介質(zhì)密度的測量在石油化工、造紙、食品加工和紡織印染等行業(yè)有著很廣泛的應(yīng)用。目前，液體密度的測量方法主要有放射性密度計(jì),壓差式密度計(jì)，超聲波式密度計(jì)等。放射性密度計(jì)由于放射性源會對測量介質(zhì)及周圍環(huán)境造成放射性污染，使用越來越少；壓差式密度計(jì)存在測量誤差大、易損壞、造價高的缺點(diǎn)[1]；超聲波式密度計(jì)受液體雜質(zhì)干擾影響比較大，影響傳感器的測量精度和穩(wěn)定性，需考慮介質(zhì)粘度、寄生電容及電磁干擾的影響[2]。因此，研究開發(fā)一種在線的高精度的流體密度測量系統(tǒng)具有十分重要的意義。

針對現(xiàn)有的各種密度計(jì)存在的各種問題，筆者利用流體流經(jīng)音叉叉體時使音叉共振頻率改變的原理，提出了一種新型的音叉式液體密度測量系統(tǒng)，并對其工作原理、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了探討。

1　音叉的振蕩頻率與其周圍介質(zhì)密度的關(guān)系

當(dāng)音叉叉臂間介質(zhì)為真空時，音叉的諧振頻率與固有頻率相等；當(dāng)音叉叉臂間介質(zhì)不為真空即介質(zhì)的密度不為零時，音叉的諧振頻率和固有頻率不相等。

根據(jù)振動原理，音叉的振動頻率f與其質(zhì)量mg和被測介質(zhì)質(zhì)量mc成如下關(guān)系[3]：

(1)

式中，f為音叉振動頻率，Hz；k為力勁，N/m；mg為音叉質(zhì)量，kg；mc為被測介質(zhì)質(zhì)量，kg。

當(dāng)音叉在真空中時，mc為零，固有頻率和諧振頻率相等，可以得到比例因子k。當(dāng)被測對象質(zhì)量mc不為零時，得到諧振頻率為f，通過計(jì)算可求出在音叉間介質(zhì)的質(zhì)量：

(2)

由于音叉的體積是固定的，記為V，則有：

mc=ρV

(3)

式中，ρ為音叉叉臂周圍介質(zhì)密度，mg/m3；V為音叉體積，m3。

從而：

(4)

因此，只要測量出音叉的振蕩頻率f，就可由式(4)計(jì)算出音叉叉臂周圍的介質(zhì)密度ρ。

在實(shí)際使用中，采用三點(diǎn)刻度法，分別將音叉浸入密度為ρ1、ρ2和ρ3的液體中，分別測出此時音叉在3種液體中的共振頻率f1、f2和f3，則：

(5)

(6)

(7)

將ρ1、ρ2、ρ3、f1、f2和f3代入式(5)～(7)就可以求出力勁k、音叉質(zhì)量mg、音叉體積V。再將求得的k、mg和V代入式(4)就得出了液體密度與共振頻率的關(guān)系，這為液體介質(zhì)密度的測量提供了一種方法。

2　音叉密度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述原理,筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的音叉密度計(jì)，音叉密度計(jì)由音叉密度傳感器、音叉振蕩激勵電路、音叉振蕩信號檢測電路和單片機(jī)系統(tǒng)4部分組成。

圖1　音叉密度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　音叉式液體密度測量系統(tǒng)總體框圖

音叉密度傳感器由音叉叉體、激勵壓電陶瓷和拾振壓電陶瓷組成。音叉叉體由恒彈合金制成,其抗氧化和抗腐蝕能力強(qiáng)。在音叉叉體上安裝了2個壓電陶瓷片。壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，在壓電陶瓷上施以電壓, 就能產(chǎn)生機(jī)械振動; 反之,壓電陶瓷受到機(jī)械振動時, 就產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷, 從電極上可輸出電壓信號。在激勵壓電陶瓷上施加一個方波電壓信號，該方波電壓信號將使得激勵壓電陶瓷產(chǎn)生機(jī)械振動。該機(jī)械振動在振動接收壓電陶瓷上產(chǎn)生一個正弦波電壓信號，當(dāng)音叉被液體介質(zhì)浸沒時，振動頻率發(fā)生變化且振動頻率會隨液體介質(zhì)密度的不同而不同，用單片機(jī)檢測該振動頻率就可以計(jì)算出液體介質(zhì)的密度。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于AT89C51單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。首先由方波激勵電路產(chǎn)生方波，加在激勵壓電陶瓷上，讓激勵壓電陶瓷振動起來，將電能變?yōu)闄C(jī)械能。振動接收壓電陶瓷接收到機(jī)械振動后將振動轉(zhuǎn)化為交變的電壓信號，通過差動放大器將該電壓放大以后再通過帶通濾波器濾除干擾信號以后再通過過零比較器將振動的頻率提取出來，經(jīng)過方波整形電路整形以后送入AT89C51單片機(jī)采集。

3.1激勵壓電陶瓷驅(qū)動電路

壓電陶瓷若長時間加直流電壓，會使壓電陶瓷損壞， 因此，一般用交流電壓供給壓電陶瓷。系統(tǒng)利用 AT89C51單片機(jī)的定時器功能來產(chǎn)生穩(wěn)定的 PWM脈沖波，加到CD4049組成的緩沖電路上，在超聲波發(fā)射電路中 CD4049一共包括了6個非門，當(dāng)控制端輸出一系列固定頻率脈沖時，在壓電陶瓷Y1上施加了固定頻率的正電壓和反電壓，發(fā)出大功率的超聲波，所得到的波形比其他方式效果更理想。超聲波發(fā)射部電路用來對超聲波換能器進(jìn)行功率驅(qū)動,將由單片機(jī)產(chǎn)生的40kHz脈沖信號送入發(fā)射輸入端,經(jīng)過驅(qū)動放大達(dá)到足夠功率之后,推動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。

系統(tǒng)采用數(shù)字集成電路構(gòu)成超聲波發(fā)射電路,主要由CD4049六反相緩沖器構(gòu)成,如圖3所示。CD4049的U1A～U1D構(gòu)成緩沖器與功率放大器,將高頻振蕩電路送來的信號放大后經(jīng)隔直電容加到壓電陶瓷上,這時傳感器的壓電陶瓷元件上施加放大的高頻電壓,從而將電能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量向空中輻射。C8，C9是隔直電容,防止直流電壓加到壓電陶瓷元件上,避免損壞激勵壓電陶瓷。U1A的3引腳接單片機(jī)的P2.6口,由單片機(jī)內(nèi)的程序控制enable的0、1狀態(tài)通過U1A～U1D進(jìn)行邏輯運(yùn)算后輸出不同的狀態(tài),即產(chǎn)生控制超聲波發(fā)射換能器的方波,周期為25μs。

3.2振動信號接收與調(diào)理電路

振動信號接收電路如圖4所示，利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號，首先由U2B運(yùn)算放大器組成差動放大器接收壓電陶瓷上的電壓，然后再經(jīng)過U2A組成的同相比例放大電路進(jìn)一步對壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓進(jìn)行放大。

圖4　振動信號接收電路

放大后的電壓送入圖5組成的帶通濾波電路濾除不在頻帶內(nèi)的高頻與低頻干擾信號。

圖5　帶通濾波電路

圖6　電壓比較與整形電路

圖7　頻率檢測與液體密度顯示子程序流程圖

濾波后的電壓信號送入圖6所示的電壓比較與整形電路，U3A組成一個過零比較器，將接收到的正弦波信號轉(zhuǎn)換成5V的方波信號然后用U4A、U4B進(jìn)行整形后送給AT89C51單片機(jī)進(jìn)行采集。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

AT89C51單片機(jī)測量頻率有直接測頻法和測周期法。直接測頻法由機(jī)器信號形成閘門，對被測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，絕對誤差為1Hz，不適合測低頻信號；測周期法由被測信號形成閘門，對機(jī)器信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，絕對誤差為1個機(jī)器周期，適合測低頻信號。該系統(tǒng)需測量頻率范圍為100～400Hz,因此采用測周期法。

系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化，初始化完成后控制激發(fā)電路產(chǎn)生方波，同時啟動T1定時器和T0計(jì)數(shù)器。T1定時器定時10ms，定時100次即為1s，T0計(jì)數(shù)器檢測1s內(nèi)的脈沖個數(shù)，即為檢測到音叉振動的頻率。由頻率值計(jì)算出流體的密度值，控制LCD1602顯示出頻率值和密度值。

5　試驗(yàn)結(jié)果及分析

為檢測音叉密度計(jì)的測量效果，在室溫(25℃)下，選取了6種密度不同的液體進(jìn)行了測量。測量的方法是將配置好的溶液置于燒杯中，將音叉?zhèn)鞲衅鞯牟姹鄄糠滞耆珱]入溶液中，將音叉的固支體固定好。

每種溶液測量5次，取5次測量的平均值，將平均值填入表格中，測試結(jié)果如表1所示。

表1　幾種液體密度測試數(shù)據(jù)表格

表2　可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可以看出，音叉密度計(jì)測得的液體密度與實(shí)際密度相符，在誤差允許的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。油水混合物的密度測量誤差相對略大，分析其原因，由于在油水?dāng)嚢璧倪^程中，油和水未完全混合均勻，還有攪拌時液體中可能會混入氣泡，從而影響了測量的精度。

在儀器的設(shè)計(jì)和制造過程中，需要注意一項(xiàng)重要的指標(biāo)，就是儀器可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的特性。可重復(fù)性反映了儀器在不同時間測量的誤差情況，即儀器工作時的穩(wěn)定性和時間的變化對測量的影響。為測試筆者設(shè)計(jì)的音叉密度計(jì)的可重復(fù)特性，從8 ： 00到12 ： 00每半小時測一次不同液體的密度，并填入表2中。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，以時間為橫軸，液體密度值為縱軸，繪制了不同溶液的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)曲線，如圖8所示。由圖8可以看出，在不同時間測量液體的密度差別極小，其測量的精度不會隨時間的變化而改變，所以該音叉密度計(jì)的可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的特性較好。

6　結(jié)語

圖8　可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)曲線

利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，給壓電陶瓷施加方波激勵音叉產(chǎn)生振動，再用另一片壓電陶瓷來檢測音叉的振動頻率，音叉被液體浸沒時，振動頻率發(fā)生變化，這個頻率變化就能反應(yīng)出音叉叉臂間液體的密度，通過這個方法檢測音叉叉臂間液體密度的方法具有電路結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、功耗低、性能穩(wěn)定、便于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，特別適用于石油化工、造紙、食品加工和紡織印染等行業(yè)的液體密度檢測。

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[編輯]洪云飛

2016-04-17

中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(2014B-4012)。

唐桃波(1979-)，男，碩士，講師，現(xiàn)主要從事油氣信息探測與儀器裝備方面的研究工作。

余厚全(1958-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事油氣信息探測與儀器裝備方面的教學(xué)與研究工作；E-mail:41414515@qq.com。

TP212

A

1673-1409(2016)22-0014-05

[引著格式]唐桃波，余厚全,陳強(qiáng)，等.音叉式液體密度計(jì)測量儀的設(shè)計(jì)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(22)：14～18.