音叉式液体密度计测量仪的设计

唐桃波，余厚全

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

陈强，徐涛，邓明

(中国石油集团测井有限公司，陕西 西安 710077)



音叉式液体密度计测量仪的设计

唐桃波，余厚全

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

陈强，徐涛，邓明

(中国石油集团测井有限公司，陕西 西安 710077)

针对现有液体密度检测方法的不足，提出了一种音叉式液体密度测量方法。根据音叉的振动频率随音叉叉臂间的液体密度改变而改变的原理，利用压电陶瓷的压电效应，用电压信号驱动激励压电陶瓷来使音叉振动，同时拾振压电陶瓷拾取振动信号并转化成方波信号。通过测量该方波信号的频率就能测出液体密度，并据此设计了一套音叉式密度测量仪。该音叉式密度检测方法较适合于液体密度的检测,检测精度高、且直接在检测点上将液体密度转化成了频率，便于数字化，且精度高，操作简单，大大提高了检测效率，可以满足高精度液体密度测量要求。

音叉；液体密度；测量仪；压电陶瓷

液体介质密度的测量在石油化工、造纸、食品加工和纺织印染等行业有着很广泛的应用。目前，液体密度的测量方法主要有放射性密度计,压差式密度计，超声波式密度计等。放射性密度计由于放射性源会对测量介质及周围环境造成放射性污染，使用越来越少；压差式密度计存在测量误差大、易损坏、造价高的缺点[1]；超声波式密度计受液体杂质干扰影响比较大，影响传感器的测量精度和稳定性，需考虑介质粘度、寄生电容及电磁干扰的影响[2]。因此，研究开发一种在线的高精度的流体密度测量系统具有十分重要的意义。

针对现有的各种密度计存在的各种问题，笔者利用流体流经音叉叉体时使音叉共振频率改变的原理，提出了一种新型的音叉式液体密度测量系统，并对其工作原理、系统硬件设计、系统软件设计等方面进行了探讨。

1　音叉的振荡频率与其周围介质密度的关系

当音叉叉臂间介质为真空时，音叉的谐振频率与固有频率相等；当音叉叉臂间介质不为真空即介质的密度不为零时，音叉的谐振频率和固有频率不相等。

根据振动原理，音叉的振动频率f与其质量mg和被测介质质量mc成如下关系[3]：

(1)

式中，f为音叉振动频率，Hz；k为力劲，N/m；mg为音叉质量，kg；mc为被测介质质量，kg。

当音叉在真空中时，mc为零，固有频率和谐振频率相等，可以得到比例因子k。当被测对象质量mc不为零时，得到谐振频率为f，通过计算可求出在音叉间介质的质量：

(2)

由于音叉的体积是固定的，记为V，则有：

mc=ρV

(3)

式中，ρ为音叉叉臂周围介质密度，mg/m3；V为音叉体积，m3。

从而：

(4)

因此，只要测量出音叉的振荡频率f，就可由式(4)计算出音叉叉臂周围的介质密度ρ。

在实际使用中，采用三点刻度法，分别将音叉浸入密度为ρ1、ρ2和ρ3的液体中，分别测出此时音叉在3种液体中的共振频率f1、f2和f3，则：

(5)

(6)

(7)

将ρ1、ρ2、ρ3、f1、f2和f3代入式(5)～(7)就可以求出力劲k、音叉质量mg、音叉体积V。再将求得的k、mg和V代入式(4)就得出了液体密度与共振频率的关系，这为液体介质密度的测量提供了一种方法。

2　音叉密度计结构设计

基于上述原理,笔者设计了如图1所示的音叉密度计，音叉密度计由音叉密度传感器、音叉振荡激励电路、音叉振荡信号检测电路和单片机系统4部分组成。

图1　音叉密度计结构示意图

图2　音叉式液体密度测量系统总体框图

音叉密度传感器由音叉叉体、激励压电陶瓷和拾振压电陶瓷组成。音叉叉体由恒弹合金制成,其抗氧化和抗腐蚀能力强。在音叉叉体上安装了2个压电陶瓷片。压电陶瓷具有压电效应，在压电陶瓷上施以电压, 就能产生机械振动; 反之,压电陶瓷受到机械振动时, 就产生一定数量的电荷, 从电极上可输出电压信号。在激励压电陶瓷上施加一个方波电压信号，该方波电压信号将使得激励压电陶瓷产生机械振动。该机械振动在振动接收压电陶瓷上产生一个正弦波电压信号，当音叉被液体介质浸没时，振动频率发生变化且振动频率会随液体介质密度的不同而不同，用单片机检测该振动频率就可以计算出液体介质的密度。

3　系统硬件设计

系统基于AT89C51单片机进行开发，系统硬件设计如图2所示。首先由方波激励电路产生方波，加在激励压电陶瓷上，让激励压电陶瓷振动起来，将电能变为机械能。振动接收压电陶瓷接收到机械振动后将振动转化为交变的电压信号，通过差动放大器将该电压放大以后再通过带通滤波器滤除干扰信号以后再通过过零比较器将振动的频率提取出来，经过方波整形电路整形以后送入AT89C51单片机采集。

3.1激励压电陶瓷驱动电路

压电陶瓷若长时间加直流电压，会使压电陶瓷损坏， 因此，一般用交流电压供给压电陶瓷。系统利用 AT89C51单片机的定时器功能来产生稳定的 PWM脉冲波，加到CD4049组成的缓冲电路上，在超声波发射电路中 CD4049一共包括了6个非门，当控制端输出一系列固定频率脉冲时，在压电陶瓷Y1上施加了固定频率的正电压和反电压，发出大功率的超声波，所得到的波形比其他方式效果更理想。超声波发射部电路用来对超声波换能器进行功率驱动,将由单片机产生的40kHz脉冲信号送入发射输入端,经过驱动放大达到足够功率之后,推动超声波换能器产生超声波。

系统采用数字集成电路构成超声波发射电路,主要由CD4049六反相缓冲器构成,如图3所示。CD4049的U1A～U1D构成缓冲器与功率放大器,将高频振荡电路送来的信号放大后经隔直电容加到压电陶瓷上,这时传感器的压电陶瓷元件上施加放大的高频电压,从而将电能量转换为超声波能量向空中辐射。C8，C9是隔直电容,防止直流电压加到压电陶瓷元件上,避免损坏激励压电陶瓷。U1A的3引脚接单片机的P2.6口,由单片机内的程序控制enable的0、1状态通过U1A～U1D进行逻辑运算后输出不同的状态,即产生控制超声波发射换能器的方波,周期为25μs。

3.2振动信号接收与调理电路

振动信号接收电路如图4所示，利用压电陶瓷的压电效应将振动信号转换成电信号，首先由U2B运算放大器组成差动放大器接收压电陶瓷上的电压，然后再经过U2A组成的同相比例放大电路进一步对压电陶瓷产生的电压进行放大。

图4　振动信号接收电路

放大后的电压送入图5组成的带通滤波电路滤除不在频带内的高频与低频干扰信号。

图5　带通滤波电路

图6　电压比较与整形电路

图7　频率检测与液体密度显示子程序流程图

滤波后的电压信号送入图6所示的电压比较与整形电路，U3A组成一个过零比较器，将接收到的正弦波信号转换成5V的方波信号然后用U4A、U4B进行整形后送给AT89C51单片机进行采集。

4　系统软件设计

AT89C51单片机测量频率有直接测频法和测周期法。直接测频法由机器信号形成闸门，对被测信号进行计数，绝对误差为1Hz，不适合测低频信号；测周期法由被测信号形成闸门，对机器信号进行计数，绝对误差为1个机器周期，适合测低频信号。该系统需测量频率范围为100～400Hz,因此采用测周期法。

系统程序流程图如图7所示。系统上电后进入初始化，初始化完成后控制激发电路产生方波，同时启动T1定时器和T0计数器。T1定时器定时10ms，定时100次即为1s，T0计数器检测1s内的脉冲个数，即为检测到音叉振动的频率。由频率值计算出流体的密度值，控制LCD1602显示出频率值和密度值。

5　试验结果及分析

为检测音叉密度计的测量效果，在室温(25℃)下，选取了6种密度不同的液体进行了测量。测量的方法是将配置好的溶液置于烧杯中，将音叉传感器的叉臂部分完全没入溶液中，将音叉的固支体固定好。

每种溶液测量5次，取5次测量的平均值，将平均值填入表格中，测试结果如表1所示。

表1　几种液体密度测试数据表格

表2　可重复性实验数据

由表1可以看出，音叉密度计测得的液体密度与实际密度相符，在误差允许的范围内，满足设计要求。油水混合物的密度测量误差相对略大，分析其原因，由于在油水搅拌的过程中，油和水未完全混合均匀，还有搅拌时液体中可能会混入气泡，从而影响了测量的精度。

在仪器的设计和制造过程中，需要注意一项重要的指标，就是仪器可重复实验的特性。可重复性反映了仪器在不同时间测量的误差情况，即仪器工作时的稳定性和时间的变化对测量的影响。为测试笔者设计的音叉密度计的可重复特性，从8 ： 00到12 ： 00每半小时测一次不同液体的密度，并填入表2中。

根据表2数据，以时间为横轴，液体密度值为纵轴，绘制了不同溶液的重复性实验曲线，如图8所示。由图8可以看出，在不同时间测量液体的密度差别极小，其测量的精度不会随时间的变化而改变，所以该音叉密度计的可重复实验的特性较好。

6　结语

图8　可重复性实验曲线

利用压电陶瓷的压电效应，给压电陶瓷施加方波激励音叉产生振动，再用另一片压电陶瓷来检测音叉的振动频率，音叉被液体浸没时，振动频率发生变化，这个频率变化就能反应出音叉叉臂间液体的密度，通过这个方法检测音叉叉臂间液体密度的方法具有电路结构简单、集成度高、功耗低、性能稳定、便于实现等特点，特别适用于石油化工、造纸、食品加工和纺织印染等行业的液体密度检测。

[1]郝君宇.弯曲板波测量液体密度的机理研究[D].西安:陕西师范大学,2013.

[2]邸梅仙.谐振筒式液体密度传感器的设计研究[D].天津:天津大学,2012.

[3] 王友春，李疾翎. FDI音叉密度仪的原理及应用效果分析 [J]. 国外测井技术，2014(3)： 65～67.

[4] 沙娟，魏丰. 数字多用表蜂鸣器电路的设计[J]. 河北工业科技，2005，18(5)： 30～32.

[5] 渠晓峰.超声波液体密度测量仪的研究与开发[D].北京:华北电力大学,2009.

[6] 杨云涛.智能压差式液体密度计的设计与实现[D].杭州:浙江理工大学,2013.

[7] 王友春. SONDEX FDI音叉密度仪的原理及操作[J]. 中国石油和化工标准与质量，2013(2)： 171.

[8] 桂兴春，王华，张滨华. 一种音叉式液体密度传感器的研究[J]. 自动化仪表，2006，27(3)： 28～30.

[9] 张欲晓，樊尚春. 液体密度传感器 [J]. 计测技术，2006，26(1)： 1～3.

[10] 姚亚彬，苏波，李震，等. 音叉密度计在克拉2气田的应用[J]. 石油仪器，2014，28(2)： 31～33.

[编辑]洪云飞

2016-04-17

中国石油天然气集团公司科学技术与技术开发项目(2014B-4012)。

唐桃波(1979-)，男，硕士，讲师，现主要从事油气信息探测与仪器装备方面的研究工作。

余厚全(1958-)，男，博士，教授，博士生导师，现主要从事油气信息探测与仪器装备方面的教学与研究工作；E-mail:41414515@qq.com。

TP212

A

1673-1409(2016)22-0014-05

[引著格式]唐桃波，余厚全,陈强，等.音叉式液体密度计测量仪的设计[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(22)：14～18.