CN104181079B - 密度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密度传感器，包括壳体，从壳体向外延伸的振动体，设置在壳体内的激振器和拾振器。将振动体浸入到待测液体内，激振器驱动振动体振动，拾振器检测振动体的振动频率，根据振动频率而得到待测液体的密度。这种密度传感器能够实现实时测量液体的密度，适用于自动化的连续生产过程。

Description

密度传感器

技术领域

本发明涉及一种计量仪器，特别是一种密度传感器。

背景技术

密度是液体的非常重要的物理性质之一，测量液体密度是石油、化工、食品、医疗、电力、造纸等诸多行业实现产品品质监测、控制和分析的重要手段。例如，在石油炼制的蒸发、吸收、裂解和蒸馏等工艺中，密度是必不可少的检测与控制项目；在化工、轻工酿造、制糖、奶制品等行业中，密度不仅是各种产品的一项重要指标，而且是指导生产各个环节的重要参量；在进出口商品检验项目中，密度同样是必备的技术指标，以此判定商品是否符合要求。另外，液体密度在科研方面也是十分重要的参数之一，在现代生物医学领域中，对人体的体液(血液、淋巴液等)密度的测量已经成为医学临床和基础研究的一种重要方法；在航天尖端科研上，准确确定火箭推进器中贮存液态氧的密度，关系到火箭的发射质量乃至成败；同时，由于海水密度是海水混合、大洋环流、水声传播和资源探测等方面研究的重要参数之一，因此对海水密度的准确测量在航道和军事测量等领域有重大意义。综上所述，液体密度的测量对企业和科学研究都具有十分重要的意义。

传统的液体密度测量方法，如天平称量法、密度瓶法、浮计法等，这类方法主要是手动操作、人工读数，其测量过程复杂、采样量大、耗时长，且易受人为因素的影响，故只能用于非连续的测量场合，不能适用于自动化的连续生产过程。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种密度传感器。这种密度传感器能够实现实时测量液体的密度，适用于自动化的连续生产过程。

根据本发明，提出了一种密度传感器，包括壳体，从壳体向外延伸的振动体，设置在壳体内的激振器和拾振器。将振动体浸入到待测液体内，激振器驱动振动体振动，拾振器检测振动体的振动频率，根据振动频率而得到待测液体的密度。

根据本发明的密度传感器，振动体的振动频率会受到液体的阻尼作用而发生变化。变化之后的振动频率与液体的密度之间的关系是本领域的技术人员所公知的，因此根据本发明的密度传感器可以通过检测振动体的振动频率而迅速测得待测液体的密度，特别适用于自动化的连续生产过程。

在一个实施例中，激振器和拾振器与振动体直接接触。根据这种结构，在激励器和振动体之间以及在拾振器和振动体之间均不存在额外的阻尼。激振器能够最大程度地使振动体发生振动，而拾振器也可以精确地测得到共振体的振动频率，从而提高了本发明的密度传感器的测量精度。

在一个实施例中，振动体与壳体为一体成型。这方便了根据本发明的密度传感器的制造。此外，这种结构也完全避免了待测液体进入到壳体的内部而损坏密度传感器。

在一个实施例中，振动体包括沿壳体的轴向同向延伸的主振体和共振体，激振器驱动主振体振动，共振体发生共振，拾振器检测共振体的振动频率。根据这种结构，共振体是由于主振体的振动发生共振，其没有外源性的驱动力。这样，当将共振体插入到待测液体内后，共振体的振动频率会发生较大的变化而偏离主振体的振动频率，从而主振体的振动对拾振器检测到的共振体的振动频率的干扰就越小，从而提高了本发明的密度传感器的测量精度。

在一个实施例中，激振器包括固定设置在壳体内的第一压电激励器，第一压电激励器驱动主振体振动。在另一个实施例中，拾振器包括固定设置在壳体内的第二压电激励器，第二压电激励器检测共振体的振动频率。第一压电激励器的激励电路结构简单，体积较小，而且激励力较大。第二压电激励器的检测电路同样结构简单，体积较小，而且检测精度也很高。这样能将本发明的密度传感器制造为体积较小并且结构也非常简单，方便了这种密度传感器的制造和使用。

在一个实施例中，第一压电激励器为柱状并且沿壳体的轴向而设置，主振体与壳体相连的端面与第一压电激励器的端面正对。在另一个实施例中，第二压电激励器为柱状并且沿壳体的轴向而设置，共振体与壳体相连的端面与第二压电激励器的端面正对。根据这种结构，激振器能够将其产生的驱动力最大程度地作用到主振体上，而拾振器能够最大程度地检测共振体的振动频率，从而有助于提高密度传感器的测量精度。

在一个实施例中，第一压电激励器和第二压电激励器为柱状压电陶瓷体。在 一个具体的实施例中，柱状压电陶瓷体的底面直径与高度之比在1∶1-1∶2之间。这种类型的第一压电激励器和第二压电激励器的结构简单并且有一定的厚度而便于装配。

在一个实施例中，密度传感器还包括设置在壳体内的温度传感器。通过设置温度传感器，能够实时测量振动体的温度，从而拾振器能够借助于该温度信息补偿由于振动体的弹性模量随温度变化而引起的测量误差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)根据本发明的密度传感器，振动体的振动频率会受到液体的阻尼作用而发生变化。变化之后的振动频率与液体的密度之间的关系是本领域的技术人员所公知的，因此根据本发明的密度传感器可以通过检测振动体的振动频率而迅速测得待测液体的密度，特别适用于自动化的连续生产过程。(2)激振器和拾振器与振动体直接接触，从而在激励器和振动体之间以及在拾振器和振动体之间均不存在额外的阻尼。这有助于提高本发明的密度传感器的测量精度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的密度传感器的结构示意图。

图2显示了用于本发明的密度传感器的柱状压电陶瓷体。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的密度传感器100的结构。如图1所示，密度传感器100包括壳体2和设置在壳体2内部的激振器20和拾振器30。在壳体2的外设置有振动体40。在使用时，将振动体40浸入到待测液体内，激振器20驱动振动体40振动，拾振器30检测振动体40的振动频率。根据拾振器30测得的振动体40的振动频率可得到待测液体的密度。这是由于，液体的密度与振动体40的振动频率之间是单调的函数关系，通过测量振动体40的振动频率就可以迅速得到待测液体的密度。因此，这种密度传感器100特别适用于自动化的连续生产过程。下文将详细描述密度传感器100的各个部件。

如图1所示，振动体40包括封闭壳体2端部的膜片41和沿壳体2的轴向从膜片41向外延伸的主振体42和共振体1，并且主振体42和共振体1设置为同向延伸。优选地，主振体42和共振体1均为条状，以方便插入到液体中。还可以将主振体42和共振体1制造为完全相同，这样主振体42的固有振动频率与共振体1的固有振动频率就会大体相同，从而在主振体42振动时共振体1也就会随之发生振动或共振，以方便测量液体的密度。此外，共振体1是由于主振体42的振动而发生共振并没有外源性的驱动力，因此当将振动体40插入到待测液体内后，共振体1的振动频率会发生较大的变化，拾振器30检测到共振体1的变化的振动频率后能由此计算出液体的密度。此外，由于共振体1的振动频率变化较大，因此拾振器30所检测到的共振体1的振动频率与主振体42的振动频率差异也较大，这就降低了主振体42的振动与拾振器30的干扰，从而提高了密度传感器100的测量精度。

激振器20和拾振器30由膜片41封闭在壳体2的内部，防止待测液体对激振器20和拾振器30造成损坏。优选地，振动体40与壳体2为一体成型，这方便了制造这种密度传感器100。

为了提高密度传感器100的测量精度，还使激振器20和拾振器30与振动体40直接接触。在图1所示实施例中，激振器20和拾振器30与膜片41直接接触，并且激振器20与主振体42正对设置，拾振器30与共振体1正对设置。这样，在激励器20和膜片41之间以及在拾振器30和膜片41之间均不存在额外的阻尼，激振器20就能最大程度地将其振动通过给膜片41传递给主振体42以驱动主振体42振动；拾振器30也就能最大程度地检测到共振体1的振动频率，从而提高了密度传感器100的测量精度。

如图1所示，在壳体2内设置有两个不连通的腔体51、52，并且这两个腔体分别与主振体42和共振体1正对。激振器20可安装到腔体51内，而拾振体30安装腔体52内，这样可使激振器20和拾振体30分别自动与主振体42和共振体1正对，无需调整以方便密度传感器100的装配。

激振器20包括柱状的第一压电激励器3，例如为柱状的压电陶瓷体21(如图2所示)。压电陶瓷体21的底面直径D与高度H之比在1∶1-1∶2之间，以使得其装配更加方便。为了能使第一压电激励器3稳定地处于在腔体51内，还在安装第一压电激励器3后，再用堵头11将其固定。在一个实施例中，堵头11 可以为紧固螺栓。

在第一压电激励器3为压电陶瓷体21的情况下，还在压电陶瓷体21的两个端面上贴装有电极5、6。这样，在给电极5、6提供交变电压时，压电陶瓷体21的长度就会周期性变化，从而驱动主振体42发生振动。这种驱动方式所需要的部件仅有两个电极5、6以及相应的线缆，结构非常简单，但是激励力很大，因此可以将激振器20制造为很小。

拾振体30的结构与激振器20的结构相同，仅功能不同。为了简单起见，这里不再描述拾振体30的结构。拾振体30同样也可以制造为很小，这样就能够将密度传感器100制造为体积较小，方便了使用。

在主振体42发生振动时，共振体1会随之共振，作为拾振体30的第二压电激励器4的压电陶瓷体的长度就会周期性变化。设置在压电陶瓷体4两端的电极7和8之间就会有周期性电压信号产生，该电压信号的频率与共振体1的振动频率相同，因此检测该电压信号的频率就能得到共振体1的振动频率。由此，就可以测得液体的密度。

优选地，在壳体2内还设置有温度传感器13。这样，就能够实时测量振动体40的温度，从而拾振器30能够借助于该温度信息而补偿由于振动体40的弹性模量随温度变化而引起的测量误差，进一步提高密度传感器100的测量精度。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种密度传感器，包括：

壳体，从所述壳体向外延伸的振动体，

设置在所述壳体内的激振器和拾振器，

其中，将所述振动体浸入到待测液体内，所述激振器驱动所述振动体振动，所述拾振器检测所述振动体的振动频率，根据所述振动频率而得到所述待测液体的密度；

所述振动体包括沿所述壳体的轴向同向延伸的主振体和共振体，所述激振器驱动所述主振体振动，所述共振体发生共振，所述拾振器检测共振体的振动频率；

所述拾振器包括固定设置在所述壳体内的第二压电激励器，所述第二压电激励器检测所述共振体的振动频率。

2.根据权利要求1所述的密度传感器，其特征在于，所述激振器和拾振器与所述振动体直接接触。

3.根据权利要求1所述的密度传感器，其特征在于，所述激振器包括固定设置在壳体内的第一压电激励器，所述第一压电激励器驱动所述主振体振动。

4.根据权利要求3所述的密度传感器，其特征在于，所述第一压电激励器为柱状并且沿所述壳体的轴向而设置，所述主振体与所述壳体相连的端面与第一压电激励器的端面正对。

5.根据权利要求1所述的密度传感器，其特征在于，所述第二压电激励器为柱状并且沿所述壳体的轴向而设置，所述共振体与所述壳体相连的端面与第二压电激励器的端面正对。

6.根据权利要求3所述的密度传感器，其特征在于，所述第一压电激励器和第二压电激励器为柱状压电陶瓷体。

7.根据权利要求6所述的密度传感器，其特征在于，所述柱状压电陶瓷体的底面直径与高度之比在1∶1-1∶2之间。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的密度传感器，其特征在于，还包括设置在所述壳体内的温度传感器。