一种基于单片机的智能化便携振动管式液体密度计的研制

　　1　引言

　　密度是液体的重要物理性质之一。密度测量广泛用于石油产品的密度和质量计量;机电行业中的绝缘油、切削液、润滑油、蓄电池溶液等的密度监测;制药和食品工业中的药品、饮料、牛奶、植物油等的密度控制等众多领域。密度计的种类根多,其中振动管式密度计使用方便、性能稳定、精确度高、测量密度范围宽且样品种类广,故在各类密度计中往往被优先采用[1]。现在振动管式液体密度计发展很快,国外已有许多成型产品供应市场。但国内有关振动管式密度计的研究发展较慢,虽有少数成型产品,但品种单一,测量精度低[1]。为此,研制了一种便携式U型振动管液体密度计,选用单U型振动管作为振动元件,利用单片机自动控制完成整个测量过程,并进行温度补偿。它使用方便、操作简单、测量精度高,且能存储和回显测试数据。

　　2　传感器结构及工作原理

　　单U型振动管式液体密度传感器由单U型振动管、拾振器、信号处理电路和激振器等部分组成,如图1所示。单U型振动管2固定在槽体支座5上;拾振器由贴在管根部的4片应变片1组成;激振器则由贴在U型管弯曲端的小导磁片3和固定在支座上的电磁线圈4组成。

　　U型管的位移振动信号由拾振器拾取,经信号处理电路处理后,再送到激振器的电磁线圈,产生激振力,以克服阻尼的影响,维持U型管稳定地等幅持续振动。为保证U型振动管的振动信号不被歪曲,应保证激振力在每一次振动管处于平衡位置时按振动方向在瞬时内施加完成。这样,当振动管离开平衡位置时,就处于自由振动状态,可获得一个比较理想的正弦振动信号。所以电磁线圈应用脉冲信号驱动,且激振力的相位超前振动管位移振动信号的相位π/2[2]。

　　信号处理电路的作用是拾取U型振动管的位移振动信号并进行处理,一路变为标推脉冲信号送单片机计频;一路经相位调整和功率放大后送激振器电磁线圈以产生满足相位和幅值条件要求的激振力[2]。结构如图2所示。

　　可见,系统的激振信号来自振动管,经信号处理电路处理后再对振动管进行驱动,所以振动管式密度传感器是一个闭环电磁反馈自激振动系统。系统的自激振动频率约等于其固有振动频率。当振动管内有被测液体时,被测液体也将随着振动管一起振动,使振动系统的总质量发生变化,从而改变了系统的固有振动频率。经适当校准,自激振动频率与被测液体密度之间将有确定的关系,通过测定振动管的自激振动频率,即可确定待测液体的密度值。

　　单U型振动管采用石英玻璃制成,通过胶粘剂粘在支座孔内,接近于理想的“固定”边界条件,同时假设振动管只作上下振动而没有扭振,则可将其简化为均质等截面无阻尼细长悬臂梁来进行理论分析。应用梁的EULER方程,可推导出被测液体密度ρl与振动管的固有振动周期T的平方近似成正比关系[1,2]: