唐桃波，余厚全

(長(zhǎng)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(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710077)

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音叉式液體密度計(jì)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

唐桃波，余厚全

(長(zhǎng)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(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710077)

針對(duì)現(xiàn)有液體密度檢測(cè)方法的不足，提出了一種音叉式液體密度測(cè)量方法。根據(jù)音叉的振動(dòng)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(hào)驅(qū)動(dòng)激勵(lì)壓電陶瓷來(lái)使音叉振動(dòng)，同時(shí)拾振壓電陶瓷拾取振動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)。通過(guò)測(cè)量該方波信號(hào)的頻率就能測(cè)出液體密度，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一套音叉式密度測(cè)量?jī)x。該音叉式密度檢測(cè)方法較適合于液體密度的檢測(cè),檢測(cè)精度高、且直接在檢測(cè)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(jiǎn)單，大大提高了檢測(cè)效率，可以滿足高精度液體密度測(cè)量要求。

音叉；液體密度；測(cè)量?jī)x；壓電陶瓷

液體介質(zhì)密度的測(cè)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(cè)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(huì)對(duì)測(cè)量介質(zhì)及周?chē)h(huán)境造成放射性污染，使用越來(lái)越少；壓差式密度計(jì)存在測(cè)量誤差大、易損壞、造價(jià)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(cè)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(kāi)發(fā)一種在線的高精度的流體密度測(cè)量系統(tǒng)具有十分重要的意義。

針對(duì)現(xiàn)有的各種密度計(jì)存在的各種問(wèn)題，筆者利用流體流經(jīng)音叉叉體時(shí)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(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)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?chē)橘|(zhì)密度的關(guān)系

當(dāng)音叉叉臂間介質(zhì)為真空時(shí)，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(shí)，音叉的諧振頻率和固有頻率不相等。

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

(1)

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

當(dāng)音叉在真空中時(shí)，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(cè)對(duì)象質(zhì)量mc不為零時(shí)，得到諧振頻率為f，通過(guò)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?chē)橘|(zhì)密度，mg/m3；V為音叉體積，m3。

從而：

(4)

因此，只要測(cè)量出音叉的振蕩頻率f，就可由式(4)計(jì)算出音叉叉臂周?chē)慕橘|(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(cè)出此時(shí)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(cè)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(lì)電路、音叉振蕩信號(hào)檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)總體框圖

音叉密度傳感器由音叉叉體、激勵(lì)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(gè)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(dòng); 反之,壓電陶瓷受到機(jī)械振動(dòng)時(shí), 就產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷, 從電極上可輸出電壓信號(hào)。在激勵(lì)壓電陶瓷上施加一個(gè)方波電壓信號(hào)，該方波電壓信號(hào)將使得激勵(lì)壓電陶瓷產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。該機(jī)械振動(dòng)在振動(dòng)接收壓電陶瓷上產(chǎn)生一個(gè)正弦波電壓信號(hào)，當(dāng)音叉被液體介質(zhì)浸沒(méi)時(shí)，振動(dòng)頻率發(fā)生變化且振動(dòng)頻率會(huì)隨液體介質(zhì)密度的不同而不同，用單片機(jī)檢測(cè)該振動(dòng)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(kāi)發(fā)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。首先由方波激勵(lì)電路產(chǎn)生方波，加在激勵(lì)壓電陶瓷上，讓激勵(lì)壓電陶瓷振動(dòng)起來(lái)，將電能變?yōu)闄C(jī)械能。振動(dòng)接收壓電陶瓷接收到機(jī)械振動(dòng)后將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為交變的電壓信號(hào)，通過(guò)差動(dòng)放大器將該電壓放大以后再通過(guò)帶通濾波器濾除干擾信號(hào)以后再通過(guò)過(guò)零比較器將振動(dòng)的頻率提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)方波整形電路整形以后送入AT89C51單片機(jī)采集。

3.1激勵(lì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路

壓電陶瓷若長(zhǎng)時(shí)間加直流電壓，會(huì)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(shí)器功能來(lái)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(gè)非門(mén)，當(dāng)控制端輸出一系列固定頻率脈沖時(shí)，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(lái)對(duì)超聲波換能器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng),將由單片機(jī)產(chǎn)生的40kHz脈沖信號(hào)送入發(fā)射輸入端,經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大達(dá)到足夠功率之后,推動(dòng)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(lái)的信號(hào)放大后經(jīng)隔直電容加到壓電陶瓷上,這時(shí)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(lì)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(guò)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(dòng)信號(hào)接收與調(diào)理電路

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

圖4　振動(dòng)信號(hào)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(hào)。

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(cè)與液體密度顯示子程序流程圖

濾波后的電壓信號(hào)送入圖6所示的電壓比較與整形電路，U3A組成一個(gè)過(guò)零比較器，將接收到的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成5V的方波信號(hào)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(cè)量頻率有直接測(cè)頻法和測(cè)周期法。直接測(cè)頻法由機(jī)器信號(hào)形成閘門(mén)，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，絕對(duì)誤差為1Hz，不適合測(cè)低頻信號(hào)；測(cè)周期法由被測(cè)信號(hào)形成閘門(mén)，對(duì)機(jī)器信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，絕對(duì)誤差為1個(gè)機(jī)器周期，適合測(cè)低頻信號(hào)。該系統(tǒng)需測(cè)量頻率范圍為100～400Hz,因此采用測(cè)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(shí)啟動(dòng)T1定時(shí)器和T0計(jì)數(shù)器。T1定時(shí)器定時(shí)10ms，定時(shí)100次即為1s，T0計(jì)數(shù)器檢測(cè)1s內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即為檢測(cè)到音叉振動(dòng)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(cè)音叉密度計(jì)的測(cè)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(cè)量。測(cè)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](méi)入溶液中，將音叉的固支體固定好。

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

表1　幾種液體密度測(cè)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(cè)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(cè)量誤差相對(duì)略大，分析其原因，由于在油水?dāng)嚢璧倪^(guò)程中，油和水未完全混合均勻，還有攪拌時(shí)液體中可能會(huì)混入氣泡，從而影響了測(cè)量的精度。

在儀器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)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(shí)間測(cè)量的誤差情況，即儀器工作時(shí)的穩(wěn)定性和時(shí)間的變化對(duì)測(cè)量的影響。為測(cè)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(shí)測(cè)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(shí)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(shí)間測(cè)量液體的密度差別極小，其測(cè)量的精度不會(huì)隨時(shí)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(yǔ)

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(lì)音叉產(chǎn)生振動(dòng)，再用另一片壓電陶瓷來(lái)檢測(cè)音叉的振動(dòng)頻率，音叉被液體浸沒(méi)時(shí)，振動(dòng)頻率發(fā)生變化，這個(gè)頻率變化就能反應(yīng)出音叉叉臂間液體的密度，通過(guò)這個(gè)方法檢測(cè)音叉叉臂間液體密度的方法具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)。

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[編輯]洪云飛

2016-04-17

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)與技術(shù)開(kāi)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(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(22)：14～18.