CN110208142A - 音叉式密度计 - Google Patents

Abstract

一种音叉式密度计，涉及密度计领域。该音叉式密度计，采用锁紧环与定位盖相互独立的压紧结构，解决了开盖拆卸时，连接线随盖相互缠绕的问题；外壳采用耐酸腐的非金属绝缘材料，一方面可以避免酸液溢出或淋溅到传感器上腐蚀传感器；另一方面，也有效避免了人为误操作而导致的电池短路故障。内屏蔽壳采用金属密闭结构，可有效屏蔽电磁干扰；底部加装气泡隔离罩，可有效隔离液体内的污浊物和气泡；增加了温度传感器，可以在测量密度的同时对待测液体的温度进行采集，并利用温度与频率的关系曲线对频率进行修订，使得密度值更为准确。该密度计具有测量精度高，受外界干扰小的优点。

Description

音叉式密度计

技术领域

本发明涉及一种密度计，特别涉及一种音叉式密度计。

背景技术

音叉式密度计是一种通过检测液体与音叉的谐振频率而测算液体密度的装置，其主要部件为音叉体。目前已有的密度测量装置包括压差式、光学式等。

压差式密度计是一种测量液体压力差来计算密度的方法。通常是通过两个压力传感器测量液体不同液面高度的压力，再由液体压强的计算公式得到液体的密度。其优点是安装简便、可测量含有固体悬浮物、高粘度、酸性、碱性介质的密度。缺点是精度低；安装受容器形状结构的限制比较大。

光学式密度传感器是采用光谱在液体中的扩散规律，通过高分辨率光谱传感器进行采样，由软件进行分析运算处理，得到浓度的规律性，再通过温度补偿，从而测出各种液体或液态混合物的浓度。其优点是精度高，安装简便。缺点是液体必须有一定的透明度，对液体内的杂质和污浊物有严格的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种音叉式密度计。

本发明所采用的技术方案是：一种音叉式密度计，包括外壳及音叉体, 其技术要点是，还包括内屏蔽壳及气泡隔离罩, 所述的外壳由定位盖、锁紧环、外壳及防水接头组成,内屏蔽壳由内盖、内套及下内壁组成；气泡隔离罩由外筒、隔离罩连接件、带有进液孔的隔离罩及感温筒组成；

内套紧贴外壳内壁设置，在内套上方开口处盖合有内盖，在内盖外盖合有定位盖，在定位盖外侧设有使外壳连接锁紧的锁紧环，锁紧环旋动时，定位盖相对外壳保持静止；防水接头穿过定位盖与内盖连接，且防水接头具有与外壳内腔连通的容纳连接线的连接线容置腔；

内套通过外筒连接件与外筒连接,外筒通过隔离罩连接件与隔离罩连接,内套的中空腔体与外筒连接件内腔、外筒内腔及隔离罩内腔连通形成容纳音叉体的容置腔，音叉体位于容置腔内，且音叉体一端与隔离罩连接件螺接，且音叉体下端与隔离罩连接件螺接，位于音叉体顶部的上盖穿过外筒连接件进入外壳的内腔；外壳通过外筒连接件与外筒连接；在内套下端设有紧贴外壳内壁的下内壁，第一铜柱穿过下内壁固定在外壳上，在第一铜柱上固定连接电路控制板和第二铜柱，在第二铜柱上固定连接电源板，电源板与电路控制板通过连接线连接并为电路控制板供电，电路控制板的连接线通过防水接头穿出音叉式密度计外壳；

在隔离罩连接件上还固定连接感温筒，所述的感温筒内安装温度传感器，温度传感器通过连接线与电路控制板连接。

上述方案中，所述的外壳为非金属耐酸腐材料。

上述方案中，所述的内屏蔽壳为金属材料。

上述方案中，在所述的外壳下端设有与蓄电池外壳连接的外螺纹。

上述方案中，在外壳与蓄电池连接处设有密封圈。

上述方案中，在音叉体与感温筒之间设有弹簧片。

一种测量密度的方法，采用如权利要求1所述的音叉式密度计实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，保持温度不变，利用标准液确定密度与频率的拟合关系式；

步骤2，将清洁水作为标准液保持不变，获得不同温度条件下的频率与温度的对应关系:

利用上面的对应关系确定温度与频率的拟合关系式，并计算频率补偿系数；

步骤4，使用密度计测量待测液体，获得待测液体的实际温度及实际频率值；将步骤2确定的频率补偿系数与实际频率值作积运算，确定补偿后的频率值；

补偿后的频率值，代入步骤1的拟合关系式，计算出实际的密度值。

本发明的有益效果是：该音叉式密度计，采用锁紧环与定位盖相互独立的压紧结构，解决了开盖拆卸时，连接线随盖相互缠绕的问题；外壳采用耐酸腐的非金属绝缘材料，一方面可以避免酸液溢出或淋溅到传感器上腐蚀传感器；另一方面，也有效避免了人为误操作而导致的电池短路故障。内屏蔽壳采用金属密闭结构，可有效屏蔽电磁干扰；底部加装气泡隔离罩，可有效隔离液体内的污浊物和气泡；增加了温度传感器，可以在测量密度的同时对待测液体的温度进行采集，并利用温度与频率的关系曲线对频率进行修订，使得密度值更为准确。该密度计具有测量精度高，受外界干扰小的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中音叉式密度计结构示意图；

图2为本发明实施例中密度与频率关系拟合线示意图；

图3为本发明实施例中温度与频率系数关系拟合线示意图；

图中序号说明如下：1外壳体、11定位盖、12锁紧环、13外壳、131外螺纹、14防水接头、2内屏蔽壳、21内盖、22内套、23下内壁、3外筒连接件、4气泡隔离罩、41外筒、42隔离罩连接件、43隔离罩、431进液孔、432进液孔、44感温筒、45隔离罩底板、5音叉体、51上盖、52音叉体主体、6温度传感器、7弹簧片、8密封圈、9铜柱、91电源板、92电路控制板。

具体实施方式

使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图3和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例采用的音叉式密度计，包括外壳体1、内屏蔽壳2、外筒连接件3、气泡隔离罩4及音叉体5。其中，外壳体1由定位盖11、锁紧环12、外壳13及防水接头1组成, 为904L不锈钢材料。内屏蔽壳2由内盖21、内套22及下内壁23组成。气泡隔离罩4由外筒41、隔离罩连接件42、带有进液孔431和进液孔432的隔离罩43及感温筒44组成。气泡隔离罩4由金属材料构成，其中的隔离罩43与隔离罩底板45焊接后呈杯状，外筒41、隔离罩连接件42、隔离罩43依次焊接形成一个部件。

内套22紧贴外壳13内壁设置，在内套22上方开口处盖合有内盖21，在内盖21外盖合有定位盖11，在定位盖11外侧螺接有使外壳13连接锁紧的锁紧环12，锁紧环12旋动时，定位盖11相对外壳13保持静止，从而解决了开盖拆卸时，连接线随定位盖11转动导致连接线相互缠绕的问题。

防水接头14穿过定位盖11与内盖21连接，且防水接头14具有与外壳内腔连通的容纳连接线的连接线容置腔。

内套21通过外筒连接件3与外筒41连接,外筒41通过隔离罩连接件42与隔离罩43连接,内套22的中空腔体与外筒连接件3内腔、外筒41内腔及隔离罩43内腔连通形成容纳音叉体5的容置腔，音叉体5下端位于容置腔内，且音叉体5下端与隔离罩连接件42螺接，音叉体5由上盖51和音叉体主体52两个部分构成，上盖51焊接在音叉体主体52上部。音叉体5的上盖51穿过外筒连接件3进入外壳13的内腔。外壳13下端与外筒连接件3上端通过螺栓固定连接在一起，外筒连接件3的下端与外筒41焊接在一起。上盖51使音叉体5与位于它上方的电路控制板92隔离开来。音叉体52与隔离罩连接件42连接处设有密封圈。

在内套22下端设有紧贴外壳13内壁的下内壁23，铜柱9穿过下内壁固定在外壳13上，电路控制板92、电源板91层叠固定在铜柱9上，电源板91与电路控制板92通过连接线连接并为电路控制板92供电，电路控制板92的连接线通过防水接头14穿出音叉式密度计外壳1。电路控制板92主要由型号为STC11F16XE-351的MCU、型号为M74HC4040M1R的频率转换芯片、型号为MCP2515的CAN总线通信模块、型号为ADM3053 的CAN总线接口芯片组成。音叉体5将频率信号上传到频率转换芯片,分频后信号经由MCU计算处理，得到实际的密度值（数字信号），再通过CAN总线将数值传出。电源板91通过升压芯片TP3601将输入电压（2V）升压到5V供MCU及其它芯片使用，通过升压芯片RT9266GE将输入电压（2V）升压到12V为音叉体提供电源。

由于蓄电池在充放电过程中需要通入空气进行电解液搅拌，因此，电解液中会产生气泡，气泡受到浮力的作用上浮，当气泡接近音叉传感器时，会影响液体的共振频率，从而影响密度的测量精度，为此，本实施例在音叉体外增加了气泡隔离罩。由于温度传感器的材质不具有耐酸性，为此,本实施例在隔离罩连接件42上焊接感温筒44，并将温度传感器6安装在感温筒44内。温度传感器6通过连接线与电路控制板92连接，将采集到的频率数据传递给电路控制板92。本实施例在音叉体5与感温筒44之间还连接有弹簧片7，弹簧片7可以为音叉体5提供预紧力，防止其振动松脱。

本实施例以铅酸蓄电池为例，将外壳14的下端插入铅酸蓄电池的电解液中，通过外螺纹131与铅酸蓄电池固定。为防止电解液泄露，在外壳14与铅酸蓄电池的连接处还设有密封圈8。在隔离罩43的表面设有内径大小不同的进液孔431和进液孔432，电解液通过进液孔431和进液孔432进入到隔离罩43内与音叉体主体52下端接触，使音叉体主体52下端激励起振，音叉体主体52的上端检测到谐振频率并将频率信号回传给电路控制板92。

本实施例中的外壳13及感温筒44均采用非金属耐酸腐材料，一方面可以避免酸液溢出或淋溅到压力传感器6上腐蚀压力传感器6；另一方面，也有效避免了人为误操作而导致的电源板91短路故障。

本实施例中,音叉体的一端利用声波频率信号激励位于音叉体内的压电陶瓷片，使音叉体起振；音叉体的另一端接收回传的振动频率，再经由压电陶瓷片将机械振动转换为电信号传递给电路控制板的MCU。MCU采集该信号后，对频率信号进行处理计算得到密度值。采集密度的同时，通过温度传感器得到当前液体温度，并依据温度传感器的温度特性进行补偿。

本实施例确定温度传感器的温度特性的方法如下：

步骤1，保持温度不变，对标准液进行标定，确定标准液密度与频率之间的关系。例如，在25℃常温下，将密度计通过串口连接到PC机（普通PC电脑或笔记本电脑一台，如：HP暗影精灵III，型号为OMEN by HP Laptop 15-ce007TX PRC），选用清洁水和4种不同密度的标准酸液（密度在1.07到1.35g/ml之间）。

由图2可知，在f5～f4的频率范围内，公式为：

ρ=aF+b (1)

式中，ρ为标准液密度，F表示标准液的频率，a，b表示系数；

在f4～f3的频率范围内，公式为：

ρ=cF+d (2)

式中，c，d表示系数；

在f3～f2的频率范围内，公式为：

ρ=eF+g (3)

式中，e，g表示系数；

在f2～f1的频率范围内，公式为：

ρ=hF+i (4)

式中，h，i表示系数；

由于采用标准溶液，密度值已知，频率值利用密度计可测得，带入上面各直线式（1）～（4），可以获得a、b、c、d、e、g、h及i各系数的值。

本实施例将上述公式（1）～（4），可确定最终的密度与频率的公式如下：

ρ=f(F) (5)

式中，ρ为标准液密度，F为标准液的频率。

标准液的频率与实际测量频率之间的转换关系为：

F=kf (6)

F为标准液的频率，k为频率系数，f为实际测量的频率。

步骤2，将清洁水作为标准液保持不变，获得不同温度条件下的频率与温度的对应关系:

将密度计放入10℃的恒温槽（槽内放有清洁水）中，检测到清洁水温度为10℃时，记录测量到的频率值;

将密度计放入25℃的恒温槽中（槽内放有清洁水），当检测到清洁水温度为25℃时，记录测量到的频率值;

将密度计放入50℃的恒温槽中（槽内放有清洁水），当检测到清洁水温度为50℃时，记录测量到的频率值;

利用上面的点确定温度与频率的拟合关系式，具体如下：

f=jT+I (7)

式中，f为实际测量获得的频率值，T为温度，j和l为系数；

f=mT+n (8)

式中，m和n为系数；

将上述测量获得的温度值及频率值带入公式(6)及（7），确定系数j、l、m和n。

计算频率系数，公式如下：

k= F/f （9）

式中，k为频率系数，F为标准液的频率，f为实际测量的频率。

本实施例将上述公式（6）～（7），可确定最终的计算频率补偿系数的公式如下：

将计算频率补偿系数的公式：

k=g(T) (10)

式中，k为频率补偿系数， T为温度；

步骤4，使用密度计测量待测液体，获得待测液体的实际温度及实际频率值；

根据采集到的实际温度值，选择公式（7）～（8）中的一个公式，在根据公式(9)确定频率补偿系数；

将频率补偿系数与实际测量频率值代入公式(6)，计算对应标准液的频率值；

根据标准液的频率值在公式（1）～（4）选择一个公式带入，计算出密度值。

本实施例中的密度计可用于如铅酸蓄电池电解液这类酸性腐蚀性液体的密度测量，同时可测得液体的温度，密度测量精度可达0.5%。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种音叉式密度计，包括外壳及音叉体, 其特征在于，还包括内屏蔽壳及气泡隔离罩, 所述的外壳由定位盖、锁紧环、外壳及防水接头组成,内屏蔽壳由内盖、内套及下内壁组成；气泡隔离罩由外筒、隔离罩连接件、带有进液孔的隔离罩及感温筒组成；

内套紧贴外壳内壁设置，在内套上方开口处盖合有内盖，在内盖外盖合有定位盖，在定位盖外侧设有使外壳连接锁紧的锁紧环，锁紧环旋动时，定位盖相对外壳保持静止；防水接头穿过定位盖与内盖连接，且防水接头具有与外壳内腔连通的容纳连接线的连接线容置腔；

内套通过外筒连接件与外筒连接,外筒通过隔离罩连接件与隔离罩连接,内套的中空腔体与外筒连接件内腔、外筒内腔及隔离罩内腔连通形成容纳音叉体的容置腔，音叉体下端位于容置腔内，且音叉体下端与隔离罩连接件螺接，位于音叉体顶部的上盖穿过外筒连接件进入外壳的内腔；外壳通过外筒连接件与外筒连接；在内套下端设有紧贴外壳内壁的下内壁，第一铜柱穿过下内壁固定在外壳上，在第一铜柱上固定连接电路控制板和第二铜柱，在第二铜柱上固定连接电源板，电源板与电路控制板通过连接线连接并为电路控制板供电，电路控制板的连接线通过防水接头穿出音叉式密度计外壳；

在隔离罩连接件上还固定连接感温筒，所述的感温筒内安装温度传感器，温度传感器通过连接线与电路控制板连接。

2.如权利要求1所述的音叉式密度计，其特征在于，所述的外壳为非金属耐酸腐材料。

3.如权利要求1所述的音叉式密度计，其特征在于，所述的内屏蔽壳为金属材料。

4.如权利要求1所述的音叉式密度计，其特征在于，在所述的外壳下端设有与蓄电池外壳连接的外螺纹。

5.如权利要求4所述的音叉式密度计，其特征在于，在外壳与蓄电池连接处设有密封圈。

6.如权利要求1所述的音叉式密度计，其特征在于，在音叉体与感温筒之间设有弹簧片。

7.一种测量密度的方法，采用如权利要求1所述的音叉式密度计实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，保持温度不变，利用标准液确定密度与频率的拟合关系式；

步骤2，将清洁水作为标准液保持不变，获得不同温度条件下的频率与温度的对应关系:

利用上面的对应关系确定温度与频率的拟合关系式，并计算频率补偿系数；

步骤4，使用密度计测量待测液体，获得待测液体的实际温度及实际频率值；将步骤2确定的频率补偿系数与实际频率值作积运算，确定补偿后的频率值；

补偿后的频率值，代入步骤1的拟合关系式，计算出实际的密度值。