CN102735586B - 谐振筒式液体密度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体密度的测量。为实时、在线测量被测液体密度，测量精度高、稳定可靠，并且结构简单、体积小、便于安装维护，可以在恶劣条件下使用，本发明采取的技术方案是，谐振筒式液体密度传感器，由谐振筒、膜片、线圈底座、激振线圈、拾振线圈、整体外壳、防油航插、机壳和电路板壳组成，谐振筒采用分体式结构，通过激光焊接谐振筒分别与膜片、线圈底座连为一体，根据工作模态m=1，n=3，采用单激振、双拾振的工作方式，整体外壳与谐振筒外围结构采用高压冲压并激光焊接的方法实现密封连接，保证谐振筒外侧及激振、拾振线圈与被测液体隔绝。本发明主要应用于液体密度的测量。

Description

谐振筒式液体密度传感器

技术领域

本发明涉及液体密度的测量，具体讲，涉及谐振筒式液体密度传感器。 

背景技术

密度是液体的重要物理特性之一，液体密度的测量在食品制造、石油化工以及航空航天等领域有着非常重要的意义。谐振式传感器可实现在线连续测量，具有稳定性好、分辨率高、测量精度高、易实现数字化远距离传输等优越的性能，成为当今人们研究的热点。根据谐振子的形状，谐振式传感器可以分为振筒式、振弦式、薄板式、音叉式、U型管式、双管式、单管式等。国内研究的谐振式液体密度计的形式主要有振动管式、振动膜式和振动筒式。目前国内已有不少科研人员在研究用谐振式原理测量液体密度，但大多处于研发阶段，还没有达到成品化。中国专利CN1837775A公开了一种谐振式液体密度在线测量传感器，其工作原理是利用薄壁圆筒的固有频率测量液体密度，它的激振、拾振线圈与被测液体接触，实际应用中这种结构需要做完全的绝缘保护，否则影响测量精度及整个系统工作的可靠性，此外，其振动筒、激振、拾振线圈完全浸在被测液体中，容易被被测液体污染，其不容易清理维护。文献【1】中设计的薄壁圆筒谐振式液体密度传感器，其工作原理与中国专利CN1837775A谐振式液体密度在线测量传感器相同，其工作模态选择为m＝1，n＝2，这一振型阶数较低，检测起来比较困难且对精度要求较高，其对应的谐振频率较高，即激振需要的能量较高。振动筒的工作环境为内外侧均浸入被测液体，遇到的问题与专利CN1837775A谐振式液体密度在线测量传感器相同。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，可以实时、在线测量被测液体密度，测量精度高、稳定可靠，并且结构简单、体积小、便于安装维护，可以在恶劣条件下使用，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，谐振筒式液体密度传感器，由谐振筒、膜片、线圈底座、激振线圈、拾振线圈、整体外壳、防油航插、机壳和电路板壳组成，谐振筒采用分体式结构，通过激光焊接谐振筒分别与膜片、线圈底座连为一体，根据工作模态m＝1，n＝3，采用单激振、双拾振的工作方式，一个激振线圈、两个拾振线圈横向位置为沿谐振筒径向均布，纵向位置为沿谐振筒有效长度的中部，并通过线圈底座上的螺纹孔实现定位与固定；整体外壳与谐振筒外围结构采用高压冲压并激光焊接的方法实现密封连接，保证谐振筒外侧及激振、拾振线圈与被测液体隔绝；整体外壳与机壳采用螺钉连接，机壳与电路板壳通过螺纹连接连为一体，电路板放于电路板壳中，使机电部分合为一体；通过防油航插实现一个激振线圈、两个拾振线圈与电路板壳内电路板的电气连接并保证连接处的密封性；电路板放入电路板壳后，密封电路板壳；电路板壳与防油航插的接口处也要保证密封；机壳通过螺钉实现与外界的安装固定。 

谐振筒采用3J53恒弹合金制作而成，筒壁厚度为0.08mm。 

膜片采用铍青铜QBe1.9加工制作而成，厚度为0.2mm。 

由四个电阻构成惠斯通电桥实现被测液体污染检测，电桥臂上的两个电阻固定于不与被测液体接触的位置，另外两个电阻浸于被测液体中，这四个电阻组成差动电桥，当电桥输出电压超出设定值时，说明被测液体被污染。 

一个激振线圈、两个拾振线圈的位置设计为横向沿谐振筒径向均布，即线圈轴线之间夹角为120°，纵向为谐振筒有效长度的中部位置。 

本发明的技术特点及效果： 

(1)本发明采用弹性薄壁圆柱筒作为谐振元件，谐振筒的材料为3J53恒弹合金，其厚度只有0.08mm，谐振筒上端采用简固支、下端采用固支结构，选择m＝1，n＝3振动模态作为工作模态，振型简单，激振容易，工作稳定可靠。 

(2)本发明采用单激振、双拾振的工作方式，系统抗干扰性较高，可确保系统在足够大的量程内满足唯一模态的自激条件，当被测介质发生变化时，可以避免产生“跳频”现象。双拾振方式还可以提高系统精度。 

(3)谐振筒内侧充满液体，外侧与被测液体隔绝，激振线圈、拾振线圈固定在谐振筒外侧，即与被测液体隔绝，不需要进行漏电保护，并且这种设计结构不易被污染，方便清理、维护。 

(4)激振线圈、拾振线圈外侧有螺纹，与线圈底座采用螺纹连接，方面调试线圈与谐振筒的位置。 

(5)谐振筒上端外侧与膜片连接，膜片材料为铍青铜QBe1.9，厚度为0.2mm。当谐振筒正常工作时，膜片起到支撑、连接和缓冲的作用，避免了谐振筒直接与整体外壳相连时易产生的疲劳断裂，提高了谐振筒的稳定性和使用寿命。 

(6)采用机械、电路一体设计，通过螺钉与外界实现机械连接，防油航插实现电气连接，使用方面，可移植性强。 

(7)本谐振式液体密度传感器还可以通过浸于被测液体的电阻检测出被测液体是否被污染。 

附图说明

图1为本发明的整体传感器结构装配示意图。 

图2为本发明的整体传感器结构装配侧视图。 

图3为本发明的整体传感器结构装配俯视图。 

图4为本发明的密度传感器核心部分装配示意图。 

图5为本发明的整体传感器核心部分装配俯视图。 

图6为本发明的整体传感器核心部分装配俯视图(无膜片)。 

图7为本发明的谐振筒结构的主视图。 

图8为本发明的膜片结构的主视图。 

图9为本发明的线圈底座结构示意图。 

图10为本发明的线圈装配体结构示意图。 

图11为本发明的整体外壳结构的主视图。 

图12为本发明的机壳结构示意图。 

图13为本发明的电路板壳结构示意图。 

图14谐振筒半径、壁厚、长度变量对谐振筒谐振频率的影响曲线图。 

(a)谐振筒半径r对谐振频率f的影响曲线(b)谐振筒壁厚h对谐振频率f的影响曲线(c)谐振筒长度l对谐振频率f的影响曲线。 

图15谐振筒约束条件对谐振频率的影响曲线图。 

附图标记说明：1-谐振筒；2-膜片；3-线圈支座；4-线圈装配体；5-整体外壳；6-机壳；7-电路板壳；8-防油航插；9-油污检测电阻固定座；10-线圈支架；11-紧固螺母；12-线圈外筒；13-线圈；14-磁钢。 

具体实施方式

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，设计了一种谐振筒式液体密度传感器，工作时该密度传感器采用工作模态m＝1，n＝3，谐振筒只有内侧置于被测液体中，激振、拾振线圈也与被测液体隔离，可以实时、在线测量被测液体密度，同时还具有检测被测液体是否被污染的附加功能。该谐振式密度传感器测量精度高、稳定可靠，并且结构简单、体积小、便于安装维护，可以在恶劣条件下使用。 

本发明的技术解决方案：一种谐振筒式液体密度传感器，由谐振筒、膜片、线圈底座、激振线圈、拾振线圈、整体外壳、防油航插、机壳和电路板壳组成。谐振筒采用分体式结构，通过激光焊接使谐振筒分别与膜片、线圈底座连为一体。根据工作模态m＝1，n＝3，采用单激振、双拾振的工作方式，一个激振线圈、两个拾振线圈横向位置为沿谐振筒径向均布，纵向位置为沿谐振筒有效长度的中部，并通过线圈底座上的螺纹孔实现定位与固定。密度计整体外壳与谐振筒外围结构采用高压冲压并激光焊接的方法实现密封连接，保证谐振子外侧及激振、拾振线圈与被测液体隔绝。整体外壳与机壳采用螺钉连接，机壳与电路板壳通过螺纹连接连为一体，电路板放于电路板壳中，使机电部分合为一体。另外，电路板壳上的电阻置于被测液体中，还可以检测被测液体是否被污染。整个谐振式液体密度计通过螺钉实现与外界的安装固定，通过防油航插实现与外界的信息交换等其他功能。 

本发明的原理：谐振筒式液体密度传感器是以谐振筒——中空薄壁弹性管作为核心敏感元件而实现的传感器，其测量原理是通过谐振筒的振动特性来实现。谐振筒本身具有一定的固有频率，当薄壁受压张紧后，其刚度发生变化，固有频率也发生相应的变化。当被测液体流经谐振筒时，谐振筒内的液体与谐振筒一起参与振动，谐振筒的固有频率将随着液体的质量变化而发生变化。由于谐振筒的容积是固定不变的，其振动频率与液体的密度有着严格的对应关系，因此可以通过测量谐振筒的振动频率来测量被测液体的密度。 

薄壁圆柱筒的模型类似于弹性圆柱壳体，由弹性力学可知，任何弹性振体均可视为一个单自由度受强迫振动的二阶系统，只要外力克服阻力即可产生谐振。根据振动理论可以得到 振动筒的振动频率： 

$f=\frac{n}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{EIg}}{{\mathrm{s\ρl}}^4}}---(1-1)$

式中，n为与谐振筒振型频率有关的常数；s为谐振筒的横截面积；E为材料的弹性模量；I为谐振筒的截面惯性矩；g为重力加速度，ρ为谐振筒的材料密度，l为谐振筒的长度。 

工作时，薄壁圆振筒谐振子以其自身的固有频率按其特定的模态进行振动，选择的这一模态即为密度传感器的工作模态。本谐振筒式密度传感器采用单模谐振测量，即利用谐振筒单一模态的谐振频率的变化直接对密度进行测量的。从谐振筒的一端观测，其振型沿周向分布着数目不一的波数n，称n为周向整波数(n＝0，1，2，……)，当从筒的侧面看，其振型沿母线的长度分布着数目不一的半波数m，称m为轴向半波数(m＝0，1，2，……)。研究谐振筒的振动模态就要从这两个方向来研究。选择谐振筒的模态不同，其对应的固有频率值、密度与谐振筒的频率关系曲线以及密度传感器的结构均会不同。由公式(1-1)可知，谐振筒的几何尺寸、材料特性影响谐振筒的振动频率，另外谐振筒的约束条件对谐振筒的振动频率也有很大影响。经理论计算与实验测试，m＝1的振型固有频率低，需要的能量小，容易激振；m＞1的振型均属于高频振型，不易激励。因此选择谐振筒的轴向半波数m＝1。而对于谐振筒的周向整波数n的取值，借助有限元分析软件ANSYS，对谐振筒在不同几何尺寸和约束条件下的振动特性进行详细分析。 

n越小，对加工精度和检测精度的要求也会相应升高，同样n越大越难激励，当振动质量、振幅一定时，振动频率越高，所需振动能量就越高。由图14和图15可以看出，谐振筒在不同的几何尺寸以及不同的约束条件下，在模态m＝1，n＝3或n＝4时对应谐振筒的固有频率最低。综合上述因素，在既定的谐振筒尺寸下，选择模态m＝1，n＝3为谐振筒式液体密度计的工作模态。 

谐振筒式密度传感器是利用电磁感应原理和正反馈原理工作的。电流通过激振线圈，产生的电磁力使筒壁产生径向微小位移，从而改变筒壁与拾振线圈之间的间隙，即使磁阻发生变化，改变磁通，在拾振线圈中产生电动势，其变化率等于筒壁振动的固有频率。维持振筒连续等幅振荡的电路连接在激振拾振两线圈之间，形成一个正反馈自激振荡系统。振荡频率等于振筒的固有频率，固有频率由被测液体的密度所调制，振幅大小由放大器的增益来控制。选择的工作模态不同，激振线圈与拾振线圈的位置就会不同；同样，激振线圈与拾振线圈的位置与激振力的大小不同，得到的振筒的振动频率及其对应的模态也会不同。所以，工作模态的具体实现是由激振、拾振线圈的位置决定的。 

本密度传感器采用单激振、双拾振的工作方式。单激振单拾振模式的系统抗干扰性较差，很难确保系统在足够大的量程内满足唯一模态的自激条件，当被测介质发生变化时，振筒的选频特性产生明显变化，使电路的频率特性也发生相应的变化，可能工作模态附近的模态更容易起振，产生“跳频”现象，这是单激振单拾振方式很难避免的。针对上述问题，选择双激振单拾振方案和单激振双拾振方案。理论上这两种方案是一样的，但考虑到实际壳体加工时存在的各种误差，单激、双拾方案要优于双激、单拾方案。由于密度传感器采用单激振、双拾振的工作方式，所以激振线圈为1个，拾振线圈为2个。根据密度传感器的工作模态 m＝1，n＝3，所以三个线圈的位置设计为横向沿谐振筒径向均布，即线圈轴线之间夹角为120°，纵向为谐振筒有效长度的中部位置。 

本密度传感器检测油污的功能是利用惠斯通电桥来实现的。电桥臂上的两个电阻不与被测液体接触，固定于图1所示电路板壳7内部；另外两个电阻要求浸于被测液体中，固定于图3所示9处，这四个电阻组成差动电桥，当电桥输出电压超出设定值时，说明当被测液体被污染，可以提示使用人员做相应地处理。 

如图1-13所示，本发明由谐振筒1、膜片2、线圈支座3、线圈装配体4、整体外壳5、机壳6、电路板壳7和防油航插8组成，谐振筒1与上端膜片2和下端线圈支座4通过激光焊接连接成一个整体，焊接表面无缝隙、无偏轨、光滑，具有优良的振动特性。 

如图10所示，激振、拾振线圈外筒12外侧是螺纹。如图4、6、9所示，通过线圈底座上的螺纹孔可以方便地将其放置在线圈底座上。由图4、5可以看到，1个激振线圈、2个拾振线圈的位置设计横向为沿谐振筒径向均布，即线圈轴线之间夹角为120°，纵向为谐振筒有效长度的中部位置。这样设计的目的是为了保证谐振筒的工作模态为m＝1，n＝3，并保证单激振、双拾振工作方式，避免产生“跳频”现象。拾振点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点，所以选择线圈的纵向位置为谐振筒有效长度的中部，即波峰位置。通过转动线圈外筒12，可以很便捷地调节线圈与谐振筒之间的距离。调节线圈的距离使密度计正常工作后，用图10所示的紧固螺母11固定线圈。调节密度传感器，使其正常工作后，再通过高压冲压和激光焊接的方法为密度计加上整体外壳5，装配的同时要保证整体的同轴度。最终装配好的密度传感器如图4、5所示。密度传感器这一核心部分装配好后，要做防油密封检测，检测时密度传感器核心部分整个没入煤油里，防油航插的电缆要置于液体外侧，检测有无液体进入密度计核心部分的内腔。 

由图1所示，为了使密度传感器稳定工作以及使用方便，设计了机壳及电路板壳，密度传感器核心部分通过螺钉实现整体外壳5与机壳6的连接。如图13所示，电路板放入电路板壳7内的腔体，用螺钉固定。然后，通过螺纹连接机壳6和电路板壳7。由图11可见，整体外壳5中部位置有一个孔，此为激振线圈、拾振线圈的引线接口。由图1所示，通过防油航插8实现核心密度计与电路板壳7的电气连接，电路板壳与密度计核心部分的连接处要保证密封。电路板放入电路板壳后，密封电路板壳。电路板壳与防油航插接口8的接口处也要保证密封。如图3所示，防油航插接口8实现整个谐振筒式液体密度计的电气连接。 

如图3所示，油污检测电阻固定座9用来固定电桥臂上的两个检测电阻，检测电阻浸于被测液体中，用来检测被测液体是否被污染。 

由图3可以看出，机壳6的端侧盖上面有孔，正常工作时，整个传感器需要浸于被测液体中，被测液体通过这些孔进入机壳内部，使谐振筒1内侧浸在被测液体中，所以密度传感器核心部分以及电路板壳要做好防油措施，保证密度传感器各部件正常工作。如图2及图12所示，机壳底端有4个柱孔，可以方面地固定到需要检测液体密度的地方，实现密度传感器与外界的机械连接。 

本发明的工作过程：将密度传感器固定于被测液体中，当电源接通时，由电路为激振线圈提供一激振电压后产生脉冲信号，谐振筒在外界脉冲作用下产生振动，通过拾振线圈的磁 性耦合，将这一振动信号变为电信号，该电信号经维持放大器放大后加到激振线圈上激励谐振筒，使其长期稳定地进行下去，同时输出相应的脉冲信号供密度的检测，然后通过防油航插8输出到外部进行密度显示。 

参考文献 

【1】随修武，姚伟，任俊峰等.薄壁圆筒谐振式液体密度传感器的设计，2005，6(4)：394-397。 

Claims (4)

1.一种谐振筒式液体密度传感器，其特征是，由谐振筒、膜片、线圈底座、激振线圈、拾振线圈、整体外壳、防油航插、机壳和电路板壳组成，谐振筒采用分体式结构，通过激光焊接谐振筒分别与膜片、线圈底座连为一体，根据工作模态m=1,n=3，采用单激振、双拾振的工作方式，一个激振线圈、两个拾振线圈横向位置为沿谐振筒径向均布，纵向位置为沿谐振筒有效长度的中部，并通过线圈底座上的螺纹孔实现定位与固定；整体外壳与谐振筒外围结构采用高压冲压并激光焊接的方法实现密封连接，保证谐振筒外侧及激振、拾振线圈与被测液体隔绝；整体外壳与机壳采用螺钉连接，机壳与电路板壳通过螺纹连接连为一体，电路板放于电路板壳中，使机电部分合为一体；通过防油航插实现一个激振线圈、两个拾振线圈与电路板壳内电路板的电气连接并保证连接处的密封性良好；电路板放入电路板壳后，密封电路板壳；电路板壳与防油航插的接口处也要保证密封；机壳通过螺钉实现与外界的安装固定。 

2.如权利要求1所述的谐振筒式液体密度传感器，其特征是，谐振筒采用3J53恒弹合金制作而成，筒壁厚度为0.08mm。 

3.如权利要求1所述的谐振筒式液体密度传感器，其特征是，膜片采用铍青铜QBe1.9加工制作而成，厚度为0.2mm。

4.如权利要求1所述的谐振筒式液体密度传感器，其特征是，由四个电阻构成惠斯通电桥实现被测液体污染检测，电桥臂上的两个电阻固定于不与被测液体接触的位置，另外两个电阻浸于被测液体中，这四个电阻组成差动电桥，当电桥输出电压超出设定值时，说明被测液体被污染。 

Images