劉香君

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

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音叉式密度計的應(yīng)用探討

劉香君

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

重點(diǎn)介紹了音叉式密度計的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選型要點(diǎn)。通過與其他類型密度計的對比，可以看出音叉式密度計具有無壓力損失、即插即用、安裝簡單、維護(hù)方便等優(yōu)勢。結(jié)合工程實(shí)踐探討了在不同流速、不同管徑工況下，如何優(yōu)化密度計的選型和選擇正確的安裝方式，從而充分發(fā)揮儀表的性能。

音叉式 諧振頻率 在線密度 質(zhì)量流量計

密度計是一種重要的在線分析儀表，用于連續(xù)測量液體的密度，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)裝置中，其檢測精度和穩(wěn)定性直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，甚至危及工藝裝置的穩(wěn)定性和安全性。

1 密度計的分類

密度計的種類較多，原理各異。目前應(yīng)用比較廣泛的有差壓式密度計、科式質(zhì)量流量計、放射性密度計和音叉式密度計。

1) 差壓式密度計。通過測量一定高度液體差壓的變化，計算液體密度ρ=Δp/gH。該類儀表需要有固定高度的液位差才能使用，比較適用于靜設(shè)備工況，應(yīng)用條件具有一定的局限性。

2) 科氏質(zhì)量流量計。液體流經(jīng)儀表測量管時，測量管振動頻率隨介質(zhì)質(zhì)量、密度的變化而變化，共振頻率是介質(zhì)密度的函數(shù)。該類儀表精度高、性能穩(wěn)定，但儀表本身壓力損失大，大口徑儀表價格昂貴。

3) 放射性密度計。利用射線穿過被測物質(zhì)時，其強(qiáng)度隨物質(zhì)密度變化的原理，用于測量物質(zhì)密度。該類儀表可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，適用于高壓、高黏度、強(qiáng)腐蝕的苛刻工況。

4) 音叉式密度計。利用音叉振動的諧振頻率隨液體的密度變化而變化的原理，直接測量液體密度。該類儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)量小，測量精度高的特點(diǎn)，能在管道和儲罐中進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時測量，適用于更廣泛的生產(chǎn)過程和復(fù)雜的工況。

筆者將重點(diǎn)介紹音叉式密度計的工作原理和不同工況下的應(yīng)用方案。

2 音叉式密度計的測量原理

音叉式密度計為一體化結(jié)構(gòu)，主要由變送器、振動叉體和測溫元件組成。音叉叉體在壓電晶體驅(qū)動下以固有頻率振動，振動的頻率由位于另一叉體末端的壓電晶體檢測出來。當(dāng)液體流經(jīng)叉體時，叉體的固有振動頻率會隨著周圍液體密度的變化而變化，叉體的振動周期(頻率倒數(shù))與液體密度呈特定的函數(shù)關(guān)系。通過檢測振動頻率的變化，由下面的函數(shù)關(guān)系式即可計算出當(dāng)前液體的密度。

ρ=K0+K1T+K2T2

(1)

式中：ρ——液體密度；T——音叉振動周期；K0，K1，K2——儀表常數(shù)，由儀表供貨商出廠校驗(yàn)時標(biāo)定。

金屬叉體的機(jī)械性能和彈性隨溫度改變會引起音叉機(jī)械部件振動頻率的變化，通過集成在叉體上的溫度檢測元件，補(bǔ)償溫度變化的影響。

3 音叉式密度計特點(diǎn)及選型要點(diǎn)

3.1 特 點(diǎn)

1) 與差壓式密度計相比，音叉式密度計能對管道和儲罐中的介質(zhì)密度進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時測量，無需特定高度的液位差，測量點(diǎn)的選取更靈活。

2) 與科氏質(zhì)量流量計相比，結(jié)構(gòu)簡單、無節(jié)流元件，管系的壓力損失幾乎為零，并且對腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)，材質(zhì)選擇更為廣泛，更為經(jīng)濟(jì)。

3) 與放射性密度計相比，對于高壓、高黏度和強(qiáng)腐蝕的苛刻工況，也有良好的表現(xiàn)，并且免除了放射性物質(zhì)對操作人員健康的威脅，更加環(huán)保安全。

3.2 選型要點(diǎn)

音叉叉體在振動時，產(chǎn)生1個以音叉末端為中心的橢圓形有效測量區(qū)域，叉體檢測該敏感區(qū)域內(nèi)流體性質(zhì)，對此區(qū)域外的流體性質(zhì)都不敏感。

當(dāng)音叉振動敏感區(qū)被管壁阻隔時，振動波被管壁反射產(chǎn)生變形，稱之為邊界效應(yīng)，如圖1所示。儀表校準(zhǔn)時需要考慮邊界效應(yīng)對測量精度的影響，對式(1)中的儀表常數(shù)K0，K1，K2要進(jìn)行修正。針對DN100及以下的管道，需要特殊標(biāo)定儀表常數(shù)。對于DN100以上的管道，邊界效應(yīng)不會產(chǎn)生影響。

圖1 邊界效應(yīng)示意

4 工程應(yīng)用

4.1 普通工況

筆者參與設(shè)計的某絲束項(xiàng)目，原料經(jīng)紡絲機(jī)噴絲生成細(xì)纖維束，為了除去絲束的靜電和防止磨損，要在絲束上噴涂油劑、乳化劑，乳化劑的密度會直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，因而需要實(shí)時在線監(jiān)測乳劑的密度，實(shí)時調(diào)整乳化劑的配比。通過比較各種類型儀表，決定選用音叉式密度計產(chǎn)品。實(shí)際工況及儀表適用工況對比見表1所列。

表1 工況對照表

1) 儀表選型。乳化劑為非腐蝕介質(zhì)，音叉叉體選擇標(biāo)配316L材質(zhì)；過程連接為DN50法蘭；密度計為兩線制儀表，無需外供電，一體式變送器輸出4～20mA模擬量信號，疊加HART通信，表頭還可輸出參考密度等參數(shù)；密度計所處的環(huán)境中同時含有可燃性氣體丙酮和可燃性粉塵絲束，因而要求儀表同時具備氣體和粉塵雙重防爆認(rèn)證。

2) 儀表安裝。儀表安裝所在管道公稱直徑為DN80，邊界效應(yīng)會降低儀表測量精度。因此，將管道擴(kuò)徑至DN100，此時流速為0.3m/s，仍滿足儀表流速要求。同時為了避免積氣或積料，采用水平安裝的方式。音叉叉體長75mm，為保證叉體能完全浸沒到管道介質(zhì)中，過程接管應(yīng)小于70mm。

4.2 需考慮邊界效應(yīng)修正工況

在另一化工項(xiàng)目中，需要檢測原料密度以調(diào)整原料在結(jié)晶器中結(jié)晶的時間。實(shí)際工況的溫度、壓力、密度、黏度均滿足儀表適用工況，但儀表所在管道為DN50，流速為0.6m/s，高于0.3～0.5m/s的儀表適用工況。如果將管道擴(kuò)徑至儀表要求的DN100，通過計算得到流速約為0.15m/s，又不滿足儀表適用工況。采用T型套管的安裝方式，將叉體“藏”在套管內(nèi)，可解決此問題。T型套管長度根據(jù)主管道內(nèi)液體流速確定，套管越長，套管內(nèi)流速越低；套管管徑與主管同徑。因?yàn)楣軓叫∮贒N100，邊界效應(yīng)會降低儀表測量精度，因而在儀表選型時需要考慮傳感器在邊界效應(yīng)影響下的標(biāo)定，修正儀表常數(shù)K0、K1、K2。某公司音叉式密度計的選型代碼中，針對存在邊界效應(yīng)的安裝方式，提供了三種修訂工況：DN50 SCH40的T型管；DN50 SCH80的T型管；DN80 SCH80流通室。該項(xiàng)目選擇了第一種工況的修訂方式。此外，因?yàn)槊芏扔嬐耆挥诎惭b套管內(nèi)，易導(dǎo)致較大的溫度梯度，采用巖棉對T型套管進(jìn)行保溫，可大幅消除溫度梯度對測量的影響。

5 結(jié)束語

音叉式密度計無可動部件，無管系壓力損失，即插即用，安裝簡單，維護(hù)方便，具有其他類型密度測量儀表無法替代的優(yōu)越性，具有良好的應(yīng)用前景。在設(shè)計過程中，要充分研究過程工況和介質(zhì)特性，選擇合理的安裝方式，充分發(fā)揮儀表的性能。

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劉香君(1984—)，女，天津人，2006年畢業(yè)于天津大學(xué)自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表設(shè)計工作，任工程師。

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1007-7324(2016)05-0073-02

稿件收到日期：2016-07-05，修改稿收到日期：2016-08-16。