CN112945796B - 一种音叉式密度计及其系数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音叉式密度计及其系数标定方法，该音叉式密度计包括变送器、音叉传感装置、连接变送器和音叉传感装置的连接柱、气泡消除装置，所述音叉传感装置包括固定在所述连接柱的快接法兰盘上的音叉座、与所述音叉座一体化连接的音叉叉体、设置在所述音叉叉体根部底孔内端的应变片和温度传感器，所述音叉传感装置设置在所述气泡消除装置内部。相比现有技术，应变片紧贴音叉叉体根部，能够更灵敏捕捉音叉叉体谐振频率的变化信号，提高了密度测量的准确性和稳定性。对音叉密度计的系数进行标定，消除外界因素(如，温度、电流等)对密度计的干扰，提高了测量的准确度。

Description

一种音叉式密度计及其系数标定方法

技术领域

本发明涉及流体密度测量技术领域，尤其涉及一种音叉式密度计及其系数标定方法。

背景技术

音叉式密度计是一种利用振动原理设计的密度计，其工作原理是采用两个压电晶体，其中一个压电晶体产生固定振动频率，当流体经过音叉叉体时振动频率发生变化，另一个压电晶体检测当前振动频率，从而通过电路运算，计算出介质的密度。但是在流体流动穿过音叉体的过程中，产生的气泡与流体扰流会干扰音叉体的谐振频率，导致测量的准确性和稳定性不足。现有的音叉式密度计由于压电晶体的设置位置不当，捕捉音叉叉体谐振频率的变化信号不够灵敏。并且密度计的使用次数，测量液体的变化，外界温度的变化，密度计本身电路的变化都有可能造成测量准确度的变化。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种能够消除流体流动过程中产生的气泡和扰流，灵敏捕捉音叉叉体谐振频率的变化信号的音叉式密度计。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种音叉式密度计，包括变送器、音叉传感装置、连接变送器和音叉传感装置的连接柱、气泡消除装置，所述音叉传感装置包括固定在所述连接柱的快接法兰盘上的音叉座、与所述音叉座一体化连接的音叉叉体、设置在所述音叉叉体根部底孔内端的应变片和温度传感器，所述音叉传感装置设置在所述气泡消除装置内部。

进一步，所述气泡消除装置包括滤芯、固定套、设置在滤芯和固定套围成的腔体内的隔离罩。

进一步，所述隔离罩上设有多个流体通道，所述滤芯和固定套与所述隔离罩之间留有空隙，所述音叉传感装置设置在所述隔离罩内部。

进一步，所述流体通道为避开所述音叉叉体设置在所述隔离罩侧壁上的通孔，所述通孔尺寸不同、交错分布在隔离罩侧壁上。

进一步，在靠近所述音叉叉体的方向上，所述通孔的分布密度逐渐减小。

进一步，所述音叉叉体的材质为恒弹性合金或不锈钢，所述音叉座的材质为不锈钢，所述应变片为陶瓷应变片。

进一步，所述变送器包括一壳体；所述壳体内腔设有一分隔凸台，所述分隔凸台以下的腔体装设电源板，并用下盖密封；所述分隔凸台以上的腔体由所述分隔凸台往上依次安装MCU板、输入与显示板、输入面板，并用上盖密封；所述上盖设有玻璃观察窗，所述电源板、MCU板、输入与显示板、输入面板之间用铜柱分隔并用螺钉紧固，电源线和通讯线缆通过一可防尘与防水的壳体耳部出入，所述应变片和温度传感器通过所述连接柱与设置在所述壳体内腔的所述电源板和所述MCU板电连接。

进一步，所述连接柱为中空连接柱，所述连接柱的快接法兰盘和所述音叉座、音叉叉体、隔离罩同轴焊接为一体。

进一步，所述电源板包括稳压电路、隔离电路、降压电路，所述稳压电路、隔离电路、降压电路对外接电源进行稳压、隔离、降压处理。

本发明还提供一种音叉式密度计的系数标定方法，包括以下步骤：

(1)把25℃时纯水状态下所述音叉叉体(4)的谐振频率输入所述变送器(1)；

(2)把25℃时空气状态下所述音叉叉体(4)的谐振频率输入所述变送器(1)；

(3)分别在温度为5℃，15℃，25℃，35℃，45℃时进行温度校正；

(4)分别在电流为4mA，8mA，12mA，16mA，20mA时进行电流校正；

(5)将所述音叉叉体(4)套入空的不锈钢密封储液灌内密封好，放入低温恒温槽，记录5℃，15℃，25℃，35℃，45℃时所述变送器(1)显示的温度和频率值；

(6)依据各温度点测试的频率值数据算出温度频率系数，然后把计算出的温度频率系数输入所述变送器(1)表头的系数校正栏；

(7)把整个所述音叉叉体(4)放入常温的酒精溶液，记录所述变送器(1)显示的温度和密度值，常温的酒精溶液实际的密度值用称重法测量，再和所述变送器(1)显示的密度值对比，若测得密度值在误差范围内则标定完成，若测得密度值超出误差范围，则返回步骤(1)重新进行标定。

本发明的有益效果：

1、本发明设置气泡消除装置使流体进入传感器腔体内接触音叉叉体时更平顺、无冲击、无气泡，避免音叉叉体受到气泡和流体扰流的干扰，提高了密度测量的准确性和稳定性；

2、本发明的应变片紧贴音叉叉体根部，能够更灵敏捕捉音叉叉体谐振频率的变化信号；

3、本发明的电源板能够对电源进行稳压、隔离、降压等处理，避免电磁干扰应变片的感应信号。

4、对音叉密度计的系数进行标定，消除外界因素(如，温度、电流等)对密度计的干扰，提高测量的准确度。

附图说明

图1为本发明一实施例中音叉式密度计的整体结构示意图；

图2为本发明一实施例中音叉式密度计变送器的结构示意图；

图3为本发明一实施例中音叉式密度计气泡消除装置的结构示意图；

图中序号说明如下：1变送器、2连接柱、3音叉座、4音叉叉体、5应变片+温度传感器、6气泡消除装置、11壳体、12壳体耳部、13电源板、14MCU板、15输入与显示板、16输入面板、17分隔凸台、18下盖、19上盖(带玻璃观察窗)、61滤芯、62密封垫、63隔离罩、64固定套、65锁紧螺柱、66管路、67管接头。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”、“一面”、“另一面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合实施例详细阐述本发明的内容。

如图1-3所示的一种音叉式密度计，包括变送器1、音叉传感装置、连接变送器1和音叉传感装置的连接柱2、围绕音叉传感装置设置的气泡消除装置6。音叉传感装置包括音叉座3、与音叉座3连接的音叉叉体4、设置在音叉叉体4根部底孔内端的应变片和温度传感器5。进一步，应变片和温度传感器5胶贴在音叉叉体4根部底孔内端。变送器1包括一壳体11，壳体内腔设有一分隔凸台17，分隔凸台17以下的壳体内腔装设电源板13，并用下盖18密封。分隔凸台17以上的壳体内腔由所述分隔凸台17往上依次安装MCU板14、输入与显示板15、输入面板16，并用上盖19密封。上盖19设有玻璃观察窗，电源板13、MCU板14、输入与显示板15、输入面板16之间用铜柱分隔并用螺钉紧固，电源线和通讯线缆通过一可防尘与防水的壳体耳部12出入，应变片和温度传感器5通过所述连接柱2与设置在所述壳体内腔的所述电源板13和所述MCU板14电连接。气泡消除装置6包括滤芯61、固定套64、设置在滤芯61和固定套64围成的腔体内的隔离罩63、设置在滤芯61端面的密封垫62，固定套64上设有管接头67，管接头67外接管路66，所述管路66可以是软管，隔离罩63上设有流体通道，滤芯61和固定套64与隔离罩63之间留有空隙，音叉传感装置设置在隔离罩63内部。连接柱2为螺接紧固在所述壳体11侧孔的中空连接柱，连接柱2的快接法兰盘21和音叉座3、音叉叉体4、隔离罩63同轴焊接为一体，固定套64通过与隔离罩63连接的锁紧螺柱65将滤芯61紧固在连接柱2的快接法兰21一端，滤芯61的两端面用密封垫62密封，管路66用管接头67锁紧在固定套64端部。

在本发明的一个实施例中，流体通道为避开音叉叉体4设置在隔离罩63侧壁上的通孔。也就是说，正对音叉叉体4的隔离罩63侧壁上不设置通孔，而将通孔设置在避开音叉叉体4的隔离罩63侧壁上。这样设置的目的是避免流体对音叉叉体的直接冲击，起到流体缓冲的作用。流体经过滤芯61渗透进入滤芯61与固定套64围成的腔体内，再流经隔离罩63上设置的流体通道后与音叉叉体4接触，在此过程中不仅溶液中的气泡得以消除，流体的流速也得到极大程度的降低，避免了气泡和扰流对测量的干扰。应当注意的是，流体通道可以是通孔或其他任意形式允许流体通过的通道。通孔可以是以相同尺寸均匀分布在隔离罩63侧壁上，也可以是以不同尺寸交错分布在隔离罩63侧壁上。通孔还可以设置为在靠近音叉叉体4的方向上，通孔的分布密度逐渐减小，即越靠近音叉体，孔的分布密度越小(越稀疏)，从而提升流体缓冲的效果，避免流体直接冲击音叉叉体产生扰流干扰。通孔还可以设置为任意形状，如圆形，条状等。

在本发明的一个实施例中，音叉叉体4的材质为恒弹性合金或不锈钢。进一步，音叉叉体4的材质可以是3J58恒弹性合金或不锈钢。音叉座3的材质为不锈钢，应变片为陶瓷应变片，密封垫62为密封胶垫。

在本发明的一个实施例中，电源板13包括稳压电路、隔离电路、降压电路等电路，可对外接电源进行稳压、隔离、降压等处理。

以测量氨水密度为例，本发明一实施例的工作过程如下：

1、外部24VDC电源连接到电源板13，电源板13对电源进行稳压、隔离、降压等处理：

输出4～20mA电源给压电陶瓷应变片，激励音叉叉体4产生谐振；

输出滤波后的24VDC电源给压电陶瓷应变片+温度传感器5内的压电晶体，检测音叉叉体4谐振频率的变化，并将频率变化信号传递到MCU板14；

输出5VDC电源给MCU板14作为MCU板14的运行电源；

2、氨水流动时透过气泡消除装置6接触音叉叉体4，改变了音叉叉体4的谐振频率，应变片+温度传感器5检测到谐振频率和氨水的温度，将相应的信号传送到MCU板14；MCU板14的频率转换芯片(STM32F105RBT6)进行信号处理并通过RS485通讯模块将信号传输到外部工控端并在音叉密度计的输入与显示板15显示；输入面板16用于调校音叉密度计补偿系数时和使用前在安装调试音叉密度计时修改设定关联系数；气泡消除装置6包括陶瓷滤芯61、密封胶垫62、固定套63、隔离罩64、导流软管66与管接头67及锁紧螺柱65，用于减缓氨水流入空腔的流速，消除流入、接触音叉叉体的氨水溶液所含气泡，避免干扰音叉叉体谐振频率。

本实施例确定温度传感器的温度特性补偿系数的方法如下：

借助自行研发的测试平台，对音叉密度计的系数进行标定，步骤如下：

1、25℃纯水校正：在25℃恒温槽的纯水放入音叉密度计的传感部件(自连接柱2到气泡消除装置6的部分)，将该温度下的纯水谐振频率输入变送器1；

再分次在5℃、15℃、35℃、45℃恒温槽的纯水放入音叉密度计的传感部件(自连接柱2到气泡消除装置6的部分)，将变送器1显示的谐振频率和实际温度记录下来。需要注意的是，为了进一步提高精度，上述5℃、15℃、35℃、45℃的温度间隔可以缩小，并且可以尽可能多的取点。例如，可以取5℃，7℃、9℃、11℃、13℃、15℃、17℃等。

2、25℃空气校正：在25℃恒温箱放入音叉密度计的传感部件(自连接柱2到气泡消除装置6的部分)，将该温度下的空气谐振频率输入变送器1；

再分次在5℃、15℃、35℃、45℃恒温箱放入音叉密度计的传感部件(自连接柱2到气泡消除装置6的部分)，将变送器1显示的谐振频率和实际温度记录下来。本步骤中5℃、15℃、35℃、45℃的温度可以相对于前一步温度的取值作相应调整。

3、利用测试数据算出温度补偿系数并输入变送器1；

4、利用4mA，8mA，12mA，16mA，20mA进行电流校正；此步中的电流取值可以根据实际情况作相应调整，并不局限与上述取值。

5、把整个音叉叉体4放入常温的酒精溶液，记录表头温度和密度值，常温的酒精溶液实际的密度值可以用称重法测量，再和变送器1显示的密度值对比，若测得密度值在误差范围内则标定完成继续下一步，若测得密度值超出误差范围，则返回步骤1重新进行标定；本步骤中的酒精溶液还可以是其他任意溶液，如0.9％的氯化钠溶液等。

6、把整个音叉叉体套入装满氨水的不锈钢密封储液灌，记录温度在5℃，15℃，25℃，35℃，40℃时的表头温度，密度，浓度值以及频率值。

本发明的密度计可用于如氨水等各种溶液的密度测量，密度测量范围0～2g/ml,浓度测量范围0～100％；同时可测得溶液的温度，密度测量精度0.003g/ml,浓度测量精度±0.5％。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种音叉式密度计的系数标定方法，其特征在于，所述音叉式密度计，包括变送器(1)、音叉传感装置、连接变送器(1)和音叉传感装置的连接柱(2)、气泡消除装置(6)，所述音叉传感装置包括固定在所述连接柱(2)的快接法兰盘(21)上的音叉座(3)、与所述音叉座(3)一体化连接的音叉叉体(4)、设置在所述音叉叉体(4)根部底孔内端的应变片和温度传感器(5)，所述音叉传感装置设置在所述气泡消除装置(6)内部，所述方法包括以下步骤：

(1)把25℃时纯水状态下所述音叉叉体(4)的谐振频率输入所述变送器(1)；

(2)把25℃时空气状态下所述音叉叉体(4)的谐振频率输入所述变送器(1)；

(3)分别在温度为5℃，15℃，25℃，35℃，45℃时进行温度校正；

(4)分别在电流为4mA，8mA，12mA，16mA，20mA时进行电流校正；

(5)将所述音叉叉体(4)套入空的不锈钢密封储液灌内密封好，放入低温恒温槽，记录5℃，15℃，25℃，35℃，45℃时所述变送器(1)显示的温度和频率值；

(6)依据各温度点测试的频率值数据算出温度频率系数，然后把计算出的温度频率系数输入所述变送器(1)表头的系数校正栏；

(7)把整个所述音叉叉体(4)放入常温的酒精溶液，记录所述变送器(1)显示的温度和密度值，常温的酒精溶液实际的密度值用称重法测量，再和所述变送器(1)显示的密度值对比，若测得密度值在误差范围内则标定完成，若测得密度值超出误差范围，则返回步骤(1)重新进行标定。

2.根据权利要求1所述的音叉式密度计的系数标定方法，其特征在于，所述气泡消除装置(6)包括滤芯(61)、固定套(64)、设置在滤芯(61)和固定套(64)围成的腔体内的隔离罩(63)。

3.根据权利要求2所述的音叉式密度计的系数标定方法，其特征在于，所述隔离罩(63)上设有多个流体通道，所述滤芯(61)和固定套(64)与所述隔离罩(63)之间留有空隙，所述音叉传感装置设置在所述隔离罩(63)内部。

4.根据权利要求3所述的音叉式密度计的系数标定方法，其特征在于，所述流体通道为避开所述音叉叉体(4)设置在所述隔离罩(63)侧壁上的通孔，所述通孔尺寸不同、交错分布在隔离罩(63)侧壁上。

5.根据权利要求4所述的音叉式密度计的系数标定方法，其特征在于，在靠近所述音叉叉体(4)的方向上，所述通孔的分布密度逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的音叉式密度计的系数标定方法，其特征在于，所述音叉叉体(4)的材质为恒弹性合金或不锈钢，所述音叉座(3)的材质为不锈钢，所述应变片为陶瓷应变片。

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