基于磁致伸缩传感器的液体密度测量的研究
作者：周世圆；岑雪青；徐春广；肖定国





       密度是很多化工工业产品的重要质量指标。目前广泛采用的液体密度测量方法有：①浮计法。浮计法是依据阿基米德定律，测量浮计平衡状态时浮计浸入液体的深度， 由浮力与浸入深度和液体密度的关系计算待测液体密度，测量快速，但精度差；②容量法。容量法用容量瓶测量液体体积，再用天平测量其质量，根据公式求得液体密度。这种方法测量精度可作得较高，但测量时间长；③用比重瓶进行测量，但玻璃易碎，不安全。无论用哪种方法，都无电信号输出，难以满足自动化测控的要求。在寻找更完善的密度测量方法的过程中， 很早就有人研究用声振动或超声振动测定液体密度。 到本世纪五十年代，出现了多种方法，如声频振动法、 扭摆法、电磁振动法和超声振动法。

2密度测量原理

       由于扭转波在细杆中的传播，使得固液分界面被交替加速和减速。因此，扭转应力波既要克服杆的惯量，又要克服其相邻流体的惯量 ，液体的表面惯量，可以分解成非粘性分量和粘性分量两部分。当考虑低粘性液体的情况时，可以忽略表面惯量中的粘性分量。

       则扭转波的传播速度直接取决于相邻流体的密度，并且受到温度的间接影响，温度变化对，有影响。通过实时测量浸入液体中的细杆中的扭转波传播速度， 可以在线地获得液体的密度。

        一般说来敏感元件越长， 扭转波在其中所需的传播时间对声速的变化越敏感，这样可以有效的提高测量灵敏度和不确定度。

       若被测液体密度为1000kg/m（水），则相对分辨率分别可以达到2%和0.1%。可以看出采用该方法测量液体密度可以达到较高的分辨率和精度。

3.液体密度测量系统的组成

①磁致伸缩式超声波激发0接收传感器

        发射或接收超声的器件叫超声换能器。磁致伸缩换能器是当前一种重要的超声换能器，这种换能器的依据是磁致伸缩效应。 磁致伸缩逆效应也是成立的。传感器主要由壳体、线圈骨架、线圈、磁柱和磁致伸缩丝五部分组成，其中，线圈骨架、线圈、磁柱、 磁致伸缩丝是传感器的核心部件， 用来激发和接收超声波。测量液体密度的传感器是在磁致伸缩收发换能器的声导杆的末端焊接截面形状为长宽比等于 ’ 的菱形的细杆作为敏感元件的。

②超声脉冲激发0接收电路板卡 

        该板卡的功能是，向传感器线圈提供脉冲电流以激发扭转波或纵波超声脉冲，对回波脉冲信号进行放大、滤波等处理。

③数据采集卡

        数据采集卡的作用是，将超声脉冲激发/接收卡模拟回波信号进行模拟数字信号转换，并把转换后的数字信号输送到计算机。选用采样频率为 2*345的 #* 位数据采样卡就可以满足精度要求。

④工业计算机

        工业计算机是整个系统的中心，接收数据采样卡的数据信息并进行实时处理。

4. 密度测量实验

        密度测量实验中，使用纯水和99.7%的无水乙醇及由它们调对出的密度为0.85、0.90、0.95g/ml的乙醇、水混合液体作为被测液体。将菱形敏感元件焊接在磁致伸缩超声换能器的声导杆上， 分别测量声导杆放置在空气和被测液体中时，扭转波在其中的传播时间，计算求得被测液体的密度。测量数据的平均值可以看出不同被测液体的测量结果之间有较大变化，平均值实验标准差不超过1%，但和液体实际密度出入较大。这表明，扭转波在置于空气和被测液体中的敏感元件中的传播声时差对被测液体密度是敏感的，该测量方法是实际可行的， 但测量时，具有较大的系统误差。 在测量过程中仔细观察，发现将敏感元件插入被测液体中时， 液体中存在的气泡会大量的附着于敏感元件的表面， 将气泡抖落后扭转波在敏感元件中的传播时间会发生明显变化。因此考虑系统误差可能是由于敏感元件附着有细小而不易抖落的气泡而形成的， 此外由于敏感元件截面形状误差引发 ，发生变化和环境温度的变化也会带入较大的系统误差%因此需修正，从而得到声时差和液体密度之间的正确关系的传播声时差和扭转波在置于空气中的敏感元件中的传播声时 及与被测液体实际密度， 列出扭转波在置于空气和被测液体中的敏感元件中 。

5.结论

        利用磁致伸缩原理和脉冲回波声速测量法可以成功的测量液体的密度。该方法是一种能够在线的、实时的测量方法，运用超声技术测量液体密度的关键是声时的测量。本文利用脉冲回波法进行了声时的测量从而得到了超声的传播声。





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