CN104969053A - 利用磁致伸缩测量液体密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为当利用磁致伸缩原理测量液体的密度时，利用两个漂浮物之间的电磁感应平衡用于精确地测量未知液体密度的技术。为此目的，在本发明的实施例中，修正点的参照值基于液体表面漂浮物和密度漂浮物之间的实际效应沉降距离被预先存储。当利用修正点的参照值计算待测液体的密度时，通过将指示实际效应沉降距离与密度之间关系的图表应用为实际非线性图表，从而能够计算具有高精度的密度。

Description

利用磁致伸缩测量液体密度的方法

技术领域

本发明涉及一种利用磁致伸缩原理测量液体密度值的技术，以及更加具体地，涉及一种利用磁致伸缩测量液体密度的方法，利用两种漂浮物之间的电磁感应平衡其能够精确地测量未知的密度值。

背景技术

总的来说，利用磁致伸缩原理测量液体的密度值的液体密度测量仪器包括液体表面漂浮物以及根据待测液体的密度而向上或者向下移动的密度漂浮物，所述液体表面漂浮物由具有比待测液体更低密度的材料制成并被配置为上升至液体表面以及指示液体表面的位置。

在液体密度测量仪器被扔进待测液体中的情形下，液体密度测量仪器测量根据液体密度的液体表面漂浮物与密度漂浮物之间在沉降距离上的差异，并将测量的在沉降距离上的差异转化为密度值。

根据待测液体的密度值的液体表面漂浮物与密度漂浮物之间在沉降距离上的差异在下文中被称作“实际效应沉降距离”。根据待测液体的密度值的每个液体表面漂浮物以及密度漂浮物的沉降距离被称作“沉降距离”。根据待测液体的密度值的液体表面漂浮物与密度漂浮物之间的沉降距离是指根据待测液体的密度的液体表面漂浮物的沉降距离与根据待测液体密度的密度漂浮物的沉降距离之间的差异。

当密度漂浮物上升至一个位置时，在该处根据密度漂浮物的重量的重力与通过对浸入到待测液体中的体积以及液体的密度值进行相乘而获得的浮力相平衡，密度漂浮物停止。当待测液体的密度值低时密度漂浮物向下移动并且当待测液体的密度值高时密度漂浮物向上移动。密度漂浮物的漂浮原理可如在等式1中所表述。

密度漂浮物的重量＝浸入体积×液体密度                  (1)

在此情形下，密度漂浮物上部的部分突出至待测液体的表面。随着突出部分的横截面积减少，密度漂浮物相对于相同的密度值进一步沉降。其原因在于由于密度漂浮物的浸入部分的体积上的变化相对于待测液体的密度值上的变化是固定的，实际效应沉降距离的变化需根据密度漂浮物的突出部分的横截面积的减少而增加。实际效应沉降距离并非以线性比例关系变化，而是根据待测液体的密度值上的变化以非线性比例关系变化。

在此情形下，就液体密度值上的变化而言，液体表面漂浮物与密度漂浮物相比具有相对较小的沉降距离。

在传统液体密度测量技术中，根据待测液体的密度值上的变化的实际效应沉降距离利用密度测量仪器而被前期测量。针对测量的实际效应沉降距离与液体密度值之间关系构建查找表。

此后，当未知液体密度值被测量时，根据待测液体的密度值而变化的实际效应沉降距离被测量。利用查找表，计算液体密度值。

当基于实际效应沉降距离利用查找表计算待测液体的密度值时，密度值并非利用实际上非线性变化的曲线图而被计算，而是利用在每个区域中被认为是线性变化的曲线图而被计算。也就是说，假设在相应沉降距离的测量点的密度值在紧接着测量点之前以及之后的区域中从修正点的密度值线性地变化，密度值被计算。

如上所述，在传统的液体密度测量技术中，当利用基于根据密度值的液体表面漂浮物与密度漂浮物之间的实际效应沉降距离的查找表而计算待测液体的密度值时，通过将密度值应用至在每个区域中线性变化的曲线图而非将密度值应用至实际上非线性变化的曲线图，从而计算密度值。相应地，由于根据查找表在线性计算中的误差以及实际非线性特性，不能计算得到具有高精度的密度值。

发明内容

当根据液体表面漂浮物与密度漂浮物之间的实际效应沉降距离计算密度值时，利用修正点的两个参照值通过将密度值应用至非线性变化的曲线图，各个实施例旨在计算具有高精度的待测液体的密度值。

在一实施例中，一种利用磁致伸缩测量液体密度的方法可包括以下步骤：(a)准备密度测量仪器，所述密度测量仪器包括液体表面漂浮物、密度漂浮物、磁致伸缩线路以及密度检测单元，所述液体表面漂浮物配置为上升至液体表面并指示表面的位置，所述密度漂浮物以根据液体密度向上或者向下移动的方式而被设置；(b)每当液体表面漂浮物以及密度漂浮物被浸入到具有不同密度的液体中时，通过密度检测单元，利用供应至磁致伸缩线路的脉冲以及由液体表面漂浮物的第一磁体以及密度漂浮物的第二磁体产生的磁致伸缩现象，计算与实际效应沉降距离相应的密度以及实际效应沉降距离，并存储与计算的实际效应沉降距离以及密度相应的修正点的参照值，所述实际效应沉降距离为所述液体表面漂浮物与所述密度漂浮物之间沉降距离上的差异；(c)当测量未知液体的密度时，通过密度检测单元，利用磁致伸缩现象，测量所述液体表面漂浮物与所述密度漂浮物之间的实际效应沉降距离；以及(d)通过密度检测单元，基于步骤(b)中存储的修正点的参照值以及步骤(c)中测量的实际效应沉降距离，计算未知液体的密度。

本发明当以液体表面漂浮物与密度漂浮物之间的实际效应沉降距离为根据利用两个修正点的参照值测定未知的液体密度值时，将实际效应沉降距离与密度的关系曲线图适用于与实际相同的非线性曲线图，从而有能够求得具有高精密度的密度的效果。

附图说明

图1为说明根据本发明实施例的利用磁致伸缩现象测量液体密度的方法的信号流程图。

图2说明了根据本发明实施例的利用磁致伸缩现象测量液体密度的方法可应用到的密度测量仪器的总体配置。

图3(a)说明了为了产生磁致伸缩现象，通过脉冲发生器输出的脉冲的波形。

图3(b)说明了通过运算处理器检测的实际效应沉降距离的波形。

图3(c)说明了为了测量实际效应沉降距离的波形中两个信号波形之间的时间差，通过振荡器输出的参照脉冲串的波形。

图4为说明本发明实施例可应用到的密度漂浮物中沉降距离与密度之间关系的图表。

具体实施例

以下将会参照附图对具体实施例作更加详细的描述。

首先，图1为说明根据本发明实施例的利用磁致伸缩现象测量液体密度的方法的信号流程图。如图1所示，所述方法可包括准备密度测量仪器，计算用于测量密度的修正点的参照值并存储所述参照值，测量实际效应沉降距离，以及计算密度值。

图2说明了根据本发明实施例的利用磁致伸缩现象测量液体密度的方法可应用到的密度测量仪器的总体配置。如图2所示，密度测量仪器可包括密度传感器单元100和密度检测单元200。

密度传感器单元100被浸入到在其中盛有其密度待测的液体的容器或者空间中，但是其不限于特定形状。在本实施例中，密度传感器单元100图示为具有柱状外形。

密度传感器单元100可包括配置为具有特定直径的金属管111以及振荡波发生器120，该振荡波发生器120贯穿多个设置于所述金属管111内第一空间112而被安装。

由具有比待测液体更低密度的材料制成并被配置为上升至液体表面以及指示液体表面的位置的液体表面漂浮物101以及配置为测量待测液体密度的密度漂浮物102以向上或者向下移动的方式设置在金属管111的外部周围。用于生成磁致伸缩现象的第一磁体101A安装在液体表面漂浮物101的内部。用于生成磁致伸缩现象的第二磁体102A安装在密度漂浮物102的内部。

具有合适重量的重量钟摆102B安装在密度漂浮物102上，使得密度漂浮物102沉浸在与待测液体的密度相应的位置。

进一步地，波动翼125安装在密度漂浮物102上。相应地，如果待测液体的密度高，则密度漂浮物102向上漂浮；如果待测液体的密度低，则密度漂浮物102沉降。根据密度漂浮物102的波动翼125的波动原理与利用钟摆的商用波动式密度测量仪器的原理相似。

振荡波发生器120嵌入到金属管111里面并安装在那儿。振荡波发生器120可包括黄铜管121，以与所述黄铜管121重叠的方式设置在所述黄铜管121内的绝缘管122，以及配置为穿过以特定间隔设置于绝缘管122内第二空间124的死点(deadcenter)的磁致伸缩线路123。

密度检测单元200可包括脉冲发生器210、拾波线圈220、信号检测器230、运算处理器240、存储器240A以及振荡器250。

以下将会参照图1-4描述根据本发明实施例的利用磁致伸缩的测量液体密度的方法。

首先，在步骤S1中，密度测量仪器300包括密度传感器单元100以及密度检测单元200，所述密度传感器单元100包括配置为上升至液体表面并指示所述表面的位置的液体表面漂浮物101、配置为基于液体的密度而向上或者向下移动的密度漂浮物102、以及磁致伸缩线路123。

在步骤S2中，当密度测量仪器300被释放之前或者之后其被需要时，其计算实际效应沉降距离以及与实际效应沉降距离相应的密度，所述实际效应沉降距离即液体表面漂浮物与密度漂浮物之间的沉降距离上的差异，并将实际效应沉降距离、密度、以及与实际效应沉降距离以及密度相应的修正点的参照值存储在存储器240A中。

例如，如图4所示，如果浸入具有通过高精度密度测量仪器(例如，固有振荡周期测量类型密度测量仪器)测量的第一密度“d1”(＝0.70g/cm3)的液体的密度漂浮物与液体表面漂浮物之间的沉降距离通过密度测量仪器300被测量为第一实际效应沉降距离“le1”，根据第一实际效应沉降距离“le1”以及第一密度“d1”(＝0.70g/cm3)的修正点的参照值存储在存储器240A中。

类似地，如果浸入具有通过高精度密度测量仪器测量的第二密度“d2”(＝0.80g/cm3)的液体的密度漂浮物与液体表面漂浮物之间的沉降距离通过密度测量仪器300被测量为第二实际效应沉降距离“le2”，根据第二实际效应沉降距离“le2”以及第二密度“d2”(＝0.80g/cm3)的修正点的参照值存储在存储器240A中。

此后，在步骤S3中，利用图2的密度测量仪器300，按照如下所述的方式测量包含在特定容器或是空间内的待测液体的密度漂浮物与液体表面漂浮物之间的实际效应沉降距离。

为了测量待测液体的密度，脉冲发生器210生成一连串的方波脉冲，诸如图3(a)的那些方波脉冲，放大所述方波脉冲使得它们可生成足够用于磁致伸缩的磁场，以及输出放大的方波脉冲。

放大的方波脉冲通过拾波线圈220被供应至密度传感器单元100的磁致伸缩线路123。相应地，通过磁致伸缩线路123产生磁场。如传播的电流脉冲移动那样，产生的磁场在磁致伸缩线路123的长度方向上移动。

如果移动的磁场遇到来自液体表面漂浮物101的第一磁体101A以及密度漂浮物102的第二磁体102A的磁场并因此产生干扰，归因于机械长度的微小变化的调整的振荡波(即，超声波)通过磁致伸缩线路123产生。相应地，产生的振荡波在电流脉冲波形的向前以及向后方向上传播。该现象称作磁致伸缩或者磁致伸缩现象。当传输的振荡波到达拾波线圈220时，其磁偶极子通过外部磁场被布置的铁磁物质的振动以及磁场相对地改变。相应地，穿过拾波线圈220，产生感应电动势。

信号检测器230通过进程检测从拾波线圈220获取的电压，生成基于检测电压的检测信号，将生成的检测信号放大至适于后续阶段处理的合适水平，并以具有适于数字信号处理的稳定形状的脉冲的形式输出放大的检测信号。

如图3(c)所示，振荡器250利用晶体振荡器生成具有特定脉冲间距的参照脉冲串并输出所述参照脉冲串。

利用从振荡器250接收到的参照脉冲串，运算处理器240测量从信号检测器230接收到的检测信号之间的距离，即密度漂浮物102与液体表面漂浮物101的检测信号之间的距离，以及将测量结果转换为液体表面漂浮物101与密度漂浮物102之间的实际效应沉降距离。在此情形下，可基于环境温度修正转换结果。

换句话说，通过线路接收到的密度漂浮物102以及液体表面漂浮物101的检测信号指示时差。运算处理器240基于时差计算实际效应沉降距离。

在图3(b)中，“lex”表示通过液体表面漂浮物101以及密度漂浮物102检测到的脉冲之间的实际效应沉降距离，其被输入至运算处理器240。也就是说，当位于待测液体表面的液体表面漂浮物101的检测信号被输入至运算处理器240的时间与当由于待测液体的密度而从待测液体的表面一定程度上浸入的密度漂浮物102的检测信号被输入至运算处理器240的时间之间存在差。运算处理器240基于时差计算液体表面漂浮物101与密度漂浮物102之间的实际效应沉降距离“lex”。测量实际效应沉降距离的过程与在步骤S2中测量第一实际效应沉降距离以及第二实际效应沉降距离的过程相同。

此后，在步骤S4中，运算处理器240，基于步骤S2中存储的修正点的参照值以及步骤S3中计算的实际效应沉降距离，以如下方式计算未知液体的密度。

图4为说明液体表面漂浮物101与密度漂浮物102的实际效应沉降距离以及沉降距离与密度具有非线性反比例关系的图。在此情形下，测量点MEA为在沉降距离-密度图表中与浸入到待测液体的密度漂浮物102的实际效应沉降距离“lex”相对应的坐标值。第一修正点COM1为在沉降距离-密度图表中与第一实际效应沉降距离“le1”，即浸入到具有与第二密度“d2”相比相对较低的第一密度“d1”的液体中的密度漂浮物102的沉降距离相对应的坐标值。第二修正点COM2为在沉降距离-密度图表中与第二实际效应沉降距离“le2”，即浸入到具有与第二密度“d2”相比相对较高的密度的液体中的密度漂浮物102的沉降距离相对应的坐标值。

进一步地，实际效应沉降距离“lex”表示基于测量点MEA通过从密度漂浮物102的沉降距离中减去液体表面漂浮物101的沉降距离而获得的沉降距离。第一实际效应沉降距离“le1”表示基于第一修正点COM1通过从密度漂浮物102的沉降距离中减去液体表面漂浮物101的沉降距离而获得的沉降距离。第二实际效应沉降距离“le2”表示基于第二修正点COM2通过从密度漂浮物102的沉降距离中减去液体表面漂浮物101的沉降距离而获得的沉降距离。

进一步地，在图4中，密度“dx”表示与实际效应沉降距离“lex”相应的待测液体的密度。第一密度“d1”表示与第一实际效应沉降距离“le1”相应的密度。第二密度“d2”表示与第二实际效应沉降距离“le2”相应的密度。

$dx=\frac{(le1-le2)d1\·d2}{(le1-lex)d1+(lex-le2)d2}---\left(2\right)$

在等式2中，“le1”为第一实际效应沉降距离，“le2”为第二实际效应沉降距离，以及“lex”为实际效应沉降距离。“d1”为第一密度，“d2”为第二密度，以及“dx”为密度。

也就是说，密度“dx”与将第一实际效应沉降距离“le1”与第二实际效应沉降距离“le2”之间的差值乘以第一密度“d1”以及第二密度“d2”而获得的值成比例。进一步地，密度“dx”与将第一实际效应沉降距离“le1”与实际效应沉降距离“lex”的差值乘以第一密度“d1”而获得的值与将实际效应沉降距离“lex”与第二实际效应沉降距离“le2”的差值乘以第二密度“d2”而获得的值相加的值成反比。

在等式2的实施例中，与沉降距离“lex”相应的密度“dx”被阐述为通过在等式2中替换在实际效应沉降距离“lex”之前并与之相邻的第一实际效应沉降距离“le1”、在实际效应沉降距离“lex”之后并与之相邻的第二实际效应沉降距离“le2”、与第一实际效应沉降距离“le1”相应的第一密度“d1”、以及与第二实际效应沉降距离“le2”相应的第二密度“d2”而被计算。然而，本发明不限于上述实施例。例如，尽管存储在存储器240A中的特定的两个实际效应沉降距离以及与所述特定的两个实际效应沉降距离相应的两个密度在等式2中被替换，与上述密度相同的密度可被获得。

换句话说，尽管待测液体的密度“dx”位于第一密度“d1”和第二密度“d2”之间(即d1<dx<d2)或者密度“dx”超出第一密度“d1”和第二密度“d2”(即d1<d2<dx或者dx<d1<d2)，利用等式2可计算液体的密度。

假设在第一密度d1＝0.7g/cm3中第一实际效应沉降距离“le1”为100mm以及在第二密度d2＝0.8g/cm3中第二实际效应沉降距离“le2”为0mm(即参照点)，下面的表格阐述了通过在等式2中替换实际效应沉降距离“lex”，从而计算密度“dx”。

表1

结果，如图4所示，所有的第一修正点COM1、第二修正点COM2以及测量点MEA均位于指示沉降距离-密度关系的非线性图表中。利用简单等式并定义推导图表，通过推导所述非线性图表，可获取等式2。相应地，利用等式2计算的密度“dx”可确保高精度。

相反地，在传统密度测量技术中，假设测量点MEA，第一修正点COM1以及第二修正点COM2出现在线性变化的图表中，计算待测液体的密度。相应地，由于误差，不能确保高精度。

尽管以上阐述了根据本发明的优选实施例，但是，本发明的权利范围不应基于上述阐述的实施例而被限定，而是以在权利要求书中定义的本发明的基本概念为基础可实现为更加多样的实施例，这些实施例也属于本发明的权利范围。

Claims (10)

1.一种利用磁致伸缩测量液体密度的方法，包括以下步骤：

(a)准备密度测量仪器，所述密度测量仪器包括液体表面漂浮物、密度漂浮物、磁致伸缩线路以及密度检测单元，所述液体表面漂浮物配置为上升至液体表面并指示表面的位置，所述密度漂浮物以根据液体密度向上或者向下移动的方式而被设置；

(b)每当液体表面漂浮物以及密度漂浮物被浸入到具有不同密度的液体中时，通过密度检测单元，利用供应至磁致伸缩线路的脉冲以及由液体表面漂浮物的第一磁体以及密度漂浮物的第二磁体产生的磁致伸缩现象，计算与实际效应沉降距离相应的密度以及实际效应沉降距离，并存储与计算的实际效应沉降距离以及密度相应的修正点的参照值，所述实际效应沉降距离为所述液体表面漂浮物与所述密度漂浮物之间沉降距离上的差异；

(c)当测量未知液体的密度时，通过密度检测单元，利用磁致伸缩现象，测量所述液体表面漂浮物与所述密度漂浮物之间的实际效应沉降距离；以及

(d)通过密度检测单元，基于步骤(b)中存储的修正点的参照值以及步骤(c)中测量的实际效应沉降距离，计算未知液体的密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)中，所述密度测量为具有比所需参照值更精确的值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中修正点的参照值存储在密度检测单元的存储器中。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁致伸缩线路布置于所述液体表面漂浮物和所述密度漂浮物在其中向上或者向下移动的路径中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述密度检测单元包括：

拾波线圈，其与所述磁致伸缩线路相连并配置为根据所述磁致伸缩现象产生感应电动势；

信号检测器，其配置为检测所述拾波线圈中感应的电压，基于检测的电压生成检测信号，放大所述检测信号，并以稳定的脉冲形式输出放大的信号；

运算处理器，其配置为基于所述检测信号计算所述实际效应沉降距离以及基于修正点的参照值和所述实际效应沉降距离计算未知液体的密度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体表面漂浮物和所述密度漂浮物设置在包括磁致伸缩线路的金属管的外部周围。

7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)包括利用以下等式计算未知液体的密度dx：

$\mathrm{dx}=\frac{(\mathrm{le}1-\mathrm{le}2)d1\&CenterDot;d2}{(\mathrm{le}1-\mathrm{lex})d1+(\mathrm{lex}-\mathrm{le}2)d2}$

其中，“le1”为在步骤(b)中计算的第一实际效应沉降距离，

“le2”为在步骤(b)中计算的第二实际效应沉降距离，

“lex”为在步骤(c)中计算的实际效应沉降距离，

“d1”为与所述第一实际效应沉降距离相应的第一密度，以及

“d2”为与所述第二实际效应沉降距离相应的第二密度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中“lex”为根据测量点通过从所述密度漂浮物的沉降距离中减去所述液体表面漂浮物的沉降距离从而获得的沉降距离。

9.根据权利要求7所述的方法，其中“le1”为通过从浸入到具有比待测液体更低密度的液体中的密度漂浮物的沉降距离中减去液体表面漂浮物的沉降距离从而获得的沉降距离。

10.根据权利要求7所述的方法，其中“le2”为通过从浸入到具有比待测液体更高密度的液体中的密度漂浮物的沉降距离中减去液体表面漂浮物的沉降距离从而获得的沉降距离。