超声波密度仪的研制

　　1　测量原理

　　油品密度是石油产品加工过程中的一个重要指标。通过对原油、重油、润滑油、柴油及调合油进行大量的试验和测试,得出油品密度ρt、超声波传播距离L、油品温度T是超声波传播时间t的函数。

　　t=f(L,T,ρt)

　　对于绝大多数单一油品,当把温度T恒定,声程L选定后,t就在一定范围内与密度ρt成线性关系:

　　t=-Kρt+q(1—1)

　　式中:q为常数项,K=Δt/Δρt为比例系数,ρt为密度。

　　设所需测量的油品密度的量程为ρt1～ρt2,对应的超声波传播时间用t1和t2表示,由式(1—1)可得到下列关系式:

　　(t1-t)/(t1-t2)=(ρt-ρt1)/(ρt2-ρt1)(1—2)

　　令t′=t1-t,τ=t1-t2　则式(1—2)成为:t′/τ=(ρt-ρt1)/(ρt2-ρt1) (1—3)

　　从式(1—3)可见,式(1—3)把测量油品的密度问题归纳为测量超声波在密度为ρt和ρt1两种油品中传播时间的差值,ρt1和ρt2是人为规定的,其相应的τ值可由实验测定得出。现在如果测出t′值,根据式(1—3)就能计算出ρt值:

　　ρt=ρt1+(t′/τ)·(ρt2-ρt1) (1—4)

　　根据上述原理,设计一测量室,将油品充满其中,超声波换能器按一定的发射周期向油品发出超声波脉冲,通过油品后被接收下来,测量电路测出超声波脉冲从发射到接收所需要的时间(简称声时),排除其它因素对声时的影响,对声时进行变换和计算就可得到油品密度值。

　　2　测量电路

　　所设计的测量电路如图2—1所示。电路以单片机87C51为核心,用专用定时计数器芯片82C54完成声时测量、数据处理等工作。

　　单片机预先对定时器82C54进行初始化,使其计数器T0、T1工作在方波发生器方式,T2工作在计数器方式。

　　单片机输出10MHz脉冲经V4、D8放大、倒相后,作为D3(82C54)计数器T2的计数频率;同时经D5(74LS74)二分频为5MHz,再经D3计数器T1十分频为500kHz,又经T0,800分频为1600μs,作为发射周期脉冲;经D4倒相、D5整形后启动T2计数器开始计数。

　　发射周期脉冲经VMOS管V1功率放大,由C1耦合,对超声波换能器G2进行激励,使其按自身固有频率1.25MHz振荡,在油品中进行传播;遇到反射板后又返回到换能器上,又对换能器进行激励,如此反复,直到能量耗尽;该振荡经C2耦合到D2(LM356)放大,经D6整形后得到一串接收波。经D5检测出所需的接收回波,作为T2计数器关闭信号。单片机读出此时T2计数值,即为超声波从发射到接收回波之间的时间差,通过分析计算,即可得到被测