閆澤昊

【摘??要】密度作為常用的物理量之一，通過(guò)對(duì)密度的檢測(cè)可以得到很多有用的信息。目前我國(guó)在石油化工、造紙、食品加工、紡織印染等很多行業(yè)都需要測(cè)量液體的密度，因此給密度計(jì)的設(shè)計(jì)提供了廣袤的市場(chǎng)。能快速便捷、準(zhǔn)確可靠的測(cè)得被測(cè)液體的密度可以提高生產(chǎn)力，節(jié)約大量人力物力。本文提出了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的壓力式液體密度計(jì)。該密度計(jì)以今市場(chǎng)上的浮子式密度計(jì)為基礎(chǔ)，在其原有的結(jié)構(gòu)框架上加裝壓力傳感器與激光測(cè)距模塊進(jìn)行改進(jìn)而來(lái)。通過(guò)測(cè)量壓力與距離兩個(gè)物理量以實(shí)現(xiàn)對(duì)于液體密度的實(shí)時(shí)在線的精確測(cè)量。

【關(guān)鍵詞】密度計(jì);流體靜力平衡原理;密度測(cè)量;單片機(jī)設(shè)計(jì)

一、研究背景及意義：

目前市面上比較流行的幾款密度計(jì)為：浮子式密度計(jì)、靜壓式密度計(jì)、振動(dòng)式密度計(jì)、放射性同位素密度計(jì)。它們基于的原理大致上可以分成兩種：一是利用相同量不同密度的液體的重量的不同進(jìn)行測(cè)量，二是利用不同密度液體的微觀性質(zhì)（分子間距）不同進(jìn)行測(cè)量的。根據(jù)調(diào)查可知，它們存在以下幾個(gè)問(wèn)題：一般直接投入被測(cè)液體中使用的密度計(jì)大多需要人眼度數(shù)，誤差較大且不方便讀取，因此無(wú)法用于一些高精度的測(cè)量;可以精確的測(cè)量液體密度的，如電子密度天平，需要對(duì)被測(cè)液體取樣，測(cè)量過(guò)程較前者更為繁瑣，不適合對(duì)液體進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè);而那些可以直接投入液體中使用并能實(shí)時(shí)測(cè)量自動(dòng)讀數(shù)的裝置，如差壓式密度計(jì)，往往體型笨重，一般對(duì)測(cè)量場(chǎng)地有要求且價(jià)格高昂。根據(jù)以上總結(jié)出的當(dāng)前市場(chǎng)上的密度計(jì)存在的不足，本文基于浮子式密度計(jì)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，做出此密度計(jì)：它既可以實(shí)時(shí)測(cè)量液體當(dāng)前密度，準(zhǔn)確的顯示出數(shù)值，又使用方便，不需要有人為的取樣等操作，同時(shí)成本低廉、價(jià)格適中，以適用于大部分場(chǎng)合。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：

液體密度計(jì)是測(cè)定液體密度的儀器。數(shù)顯液體密度計(jì)是將現(xiàn)代微電子技術(shù)與傳統(tǒng)密度計(jì)相結(jié)合而研發(fā)出來(lái)的新型比重測(cè)試儀器。[1]液體的密度無(wú)法直接測(cè)量，密度值的獲取都為間接測(cè)得，目前較為精準(zhǔn)的直接在線測(cè)量液體密度測(cè)量方法是振動(dòng)管式、放射源同位素與差壓法。[2]差壓式密度計(jì)易受安裝位置及所測(cè)量流體周?chē)▌?dòng)的影響產(chǎn)生誤差，對(duì)所測(cè)液體所處的環(huán)境有較高限制。[3]放射源同位素密度計(jì)是利用的射線強(qiáng)度與被透射流體密度的指數(shù)成反比關(guān)系的原理制成，原理上不可避免的受到放射性物質(zhì)衰變隨機(jī)性的影響。[4]振動(dòng)管密度計(jì)利用電子反饋系統(tǒng)將其維持在諧振狀態(tài)，當(dāng)液體進(jìn)入U(xiǎn)型管時(shí)，振動(dòng)管的共振頻率發(fā)生變化測(cè)量密度。[5]但由于機(jī)械慣性作用，得到諧振需要一定的時(shí)間，且裝置內(nèi)有精細(xì)器件，不適合在露天惡劣環(huán)境下使用。

利用液體靜壓力稱(chēng)量法的制成的密度計(jì)大多用于低精度的測(cè)量，[6]基于此制成的一些高精度密度計(jì)也多用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。[7]李明等?提出了一種內(nèi)置型全浸浮子液體密度測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)需將整套裝置浸沒(méi)在液體中，液面下方環(huán)境未知，傳感器需要與液體接觸才可進(jìn)行測(cè)量，增加了不確定的因素。[8]姚久民?等利用力傳感器、浮子、數(shù)據(jù)采集器制作了一款液體密度的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。但是不難發(fā)現(xiàn)這種測(cè)量方法需要外界提供固定的支架以安裝力傳感器，對(duì)測(cè)量場(chǎng)地有要求。以上兩種在測(cè)量過(guò)程中均采用有線傳輸方式，不宜在惡劣的環(huán)境中使用。

三、研究?jī)?nèi)容：

3.1測(cè)量原理：根據(jù)阿基米德原理可知，重物所受浮力為排開(kāi)液體的重量。[9]如果排開(kāi)全部體積液體的重量都不足以抵消物重，物體將下沉。如果在物體適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置適量浮漂，將物體投入液體中時(shí)不僅受自身排開(kāi)液體所帶來(lái)的浮力，還受浮漂對(duì)它向上的托力，便可以抵消物體的重力（M=F浮力?+F托力），使之漂浮在液面上。其中物體所受浮力為物體排開(kāi)液體的重量ρ液gV排，如果浸入液體中的物體形狀規(guī)則，則可以用傳感器件測(cè)量獲得。F托即為浮漂對(duì)重物的托力，其大小等于此時(shí)浮漂所受的壓力，這個(gè)值同樣可以用敏感元件測(cè)得。而M為已知量，通過(guò)對(duì)V排和F托的測(cè)量即可測(cè)出液體的密度。

3.2裝置結(jié)構(gòu)：本密度計(jì)由漂浮支撐部分和電子測(cè)量部分兩部分組件構(gòu)成。

3.2.1.漂浮支撐部分是基于阿基米德原理和流體靜力學(xué)原理，利用當(dāng)今市場(chǎng)上的浮子式密度計(jì)為基礎(chǔ)，在其原有的結(jié)構(gòu)框架上進(jìn)行改進(jìn)而來(lái)。如圖所示，其主體為一個(gè)密封的鐘罩，為使它能穩(wěn)定的漂浮在液面上，需要將其重心上移，因此要使重量集中在底部，同時(shí)將浮漂安裝在罩體與液面接觸的部分。為了使排開(kāi)液體的體積可以測(cè)得，就要使鐘罩浸入液體中的部分形狀規(guī)則，我們采用一大圓柱套筒將鐘罩套住，底部?jī)赏部p隙用環(huán)形密封，并在此空間內(nèi)裝入重物，因此排開(kāi)液體的體積為環(huán)形的底面積×浸入液面的深度。為了使浮漂所受壓力可以測(cè)得，我們通過(guò)一根可伸縮連桿將鐘罩與浮漂相連，并在其間嵌入壓力傳感器。

3.2.2.電子測(cè)量部分主要由激光測(cè)距模塊和壓力傳感模塊構(gòu)成，激光測(cè)距傳感器固定在鐘罩頂端，測(cè)量其到浮漂的距離經(jīng)數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換輸入數(shù)據(jù)至51單片機(jī)經(jīng)計(jì)算得出得出套筒浸沒(méi)液體的高度，并計(jì)算求出排開(kāi)液體體積。由壓力傳感器測(cè)出浮漂對(duì)整個(gè)套筒的支撐力，經(jīng)數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換輸入數(shù)據(jù)至單片機(jī)。當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)都進(jìn)入單片機(jī)時(shí)，再經(jīng)計(jì)算可算出液體密度

圖1.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框架

3.3電路構(gòu)成：本裝置使用FSR402薄膜壓力傳感器與VL53L0X激光測(cè)距模塊作為測(cè)量壓力與距離的傳感器，主板由單片機(jī)系統(tǒng)（STC12C5A60S2）、程序下載部分、供電部分、顯示部分、引出串口部分組成;

圖2.工作原理流程圖

四、裝置特點(diǎn)：

1.功能上：操作便捷，自動(dòng)讀數(shù)，實(shí)時(shí)在線測(cè)量，通過(guò)測(cè)量壓力與距離得出正確讀數(shù)。將裝置投入被測(cè)液體中即可通過(guò)液晶顯示屏直接顯示出密度值，無(wú)需人眼進(jìn)行讀數(shù)或者取樣等其它操作，簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程，減小了人為誤差。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體密度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與測(cè)量，以確保生產(chǎn)過(guò)程中密度值不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。同時(shí)本裝置是通過(guò)對(duì)壓力值和距離的測(cè)量實(shí)現(xiàn)的密度值的獲取，實(shí)現(xiàn)了傳感器功能的轉(zhuǎn)化。

2.結(jié)構(gòu)上：結(jié)構(gòu)巧妙，無(wú)需復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，利用測(cè)量結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜程度，拓寬了應(yīng)用場(chǎng)合。鐘罩底部規(guī)則的形狀使排開(kāi)液體積易于測(cè)得，鐘罩與浮漂之間的均勻傳力桿也使浮漂托力易于測(cè)得。較同類(lèi)型密度計(jì)簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)的難度，降低了成本。同時(shí)傳感器件對(duì)密度為間接測(cè)量，敏感元件不需與液體直接接觸即可測(cè)得密度值，避免了腐蝕液體對(duì)電子裝置的腐蝕。

五、測(cè)試結(jié)果及結(jié)論：

經(jīng)過(guò)數(shù)次測(cè)試，測(cè)得裝置在幾種不同密度的液體中的使用情況顯示，裝置在900Kg/m3-2000Kg/m3?的范圍內(nèi)均可使用，其中在1100?Kg/m3左右測(cè)得的數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確。在實(shí)際生產(chǎn)生活中由于水質(zhì)的密度不確定，測(cè)量條件較差，普通壓力密度計(jì)在極端環(huán)境下工作性能下降，因此產(chǎn)品適用于一些污染高、液體密度變化程度較大的場(chǎng)所，如造紙廠、污水處理廠、石油化工廠等。

參考文獻(xiàn)：

[1]張欲曉，樊尚春.液體密度傳感器[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2006，26（1）：1-3.

[2]毛冬梅.差壓式密度計(jì)在選煤廠中的應(yīng)用與改進(jìn)[J].工礦自動(dòng)化，2013（3）.

[3]王海群，曹義，張玉貴，et?al.差壓式重介煤漿密度計(jì)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].礦山機(jī)械，2011，39（2）：109-112.

[4]趙知禮，劉慧穎.DDM-1便攜式振動(dòng)管液體密度計(jì)的研究[J].石油管材與儀器，2001，15（4）：28-30.

[5]邱國(guó)盛，孟現(xiàn)陽(yáng)，吳江濤.高壓振動(dòng)管密度計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)[C]//?中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì).2012.

[6]顧英姿，陳朝暉，許常紅，et?al.液體靜力稱(chēng)量法液體密度測(cè)量及其不確定度評(píng)定[J].計(jì)量技術(shù)，2006（6）.

[7]李明.內(nèi)置型全浸浮子雙向測(cè)力式液體密度測(cè)量?jī)x[J].石油與天然氣化工.

[8]姚久民，戰(zhàn)琳.液體密度的實(shí)時(shí)測(cè)量[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，30（2）：15-17.

[9]李劍，董曉章.阿基米德原理演示儀：.

（作者單位：河北大學(xué)）