基于傳感器的液體密度計的設計

【摘要】本文介紹了一種根據U型振動管液體密度傳感器的工作原理而設計的液體密度檢測電路。該電路彌補了以前此類檢測電路的許多不足之處，具有使用方便，性能穩定，精確度高，測量范圍寬等優點，并利用單片機來實現對信號的采集，根據振動頻率與密度的關系進行數據處理，最終達到了實時檢測液體密度的目的。

【關鍵詞】液體密度振動管傳感器密度測量

液體密度是液體的重要性質之一。隨著科學技術的發展，密度測量在眾多領域得到了日益廣泛的應用。例如通過實時測量密度變化以控制物質組成和成分，是實現醫藥、食品、石油化工等方面現代質量控制的重要手段之一。測量液體密度還可以得到液體的其它一些重要屬性，如狀態等式、熱膨脹屬性、壓縮性能等，這些屬性對研究碳水化合物、蛋白質等的分子結構、參數組成有重要的價值。可見改進液體密度的測量手段、提高其測量精度對工業生產的質量檢測控制、計量管理水平、科學研究及貿易的發展都有著重要的意義。

一、基本元器件介紹

1.1U型振動管式傳感器的結構及工作原理

單U型振動管式液體密度傳感器由單U型振動管、拾振器、信號處理電路和激振器等部分組成。振動管的位移振動信號由拾振器拾取，經信號處理電路放大處理后，再送到激振器的電磁線圈，維持振動管穩定的持續振動。當振動管內有被測液體時，被測液體將隨著振動管一起振動，使振動系統的總質量發生變化，從而改變了系統的固有振動頻率。經適當校準，諧振頻率與被測液體密度之間將有確定的對應關系，通過測定振動管的自激振動頻率，即可確定待測液體的密度值。

1.289C51單片機

89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。

二、硬件電路設計

振動管式密度計基本原理基于系統的固有頻率與其質量的關系。當振動管的幾何尺寸、形狀和材質一定時，物體的固有振動頻率僅由振動系統的質量決定，振動系統由振動管及管內的液體組成，振動管的質量固定不變，振動管內的液體質量取決于液體密度，因此測出振動管的固有振動頻率的變化即可計算出液體密度變化[1]。

2.1總體結構設計

液體密度檢測電路的原理方框圖如圖1所示。振動管傳感器輸出的頻率信號經放大電路放大后，再送到測頻電路測頻，經過單片機對測得的數字信號進行運算處理后，得到液體的密度值，并將測得的密度值送到LED顯示器顯示出來。

2.4顯示電路

LED（Light Emitting Diode，發光二極管）顯示器[5]是由發光二極管構成的最為常用的顯示器件。P0口輸出段選碼，P2口輸出位選碼，位選碼占用輸出口的線數決定于顯示器位數，比如4位就要占4條。75452（或7406）是反相驅動器（30V高電壓，OC門），這是因為89C51 P2口正邏輯輸出的位控與共陰極LED要求的低電平點亮正好相反，即當P2口位控線輸出高電平時，點亮一位LED。7407是同相OC門，作段選碼驅動器[4]。

2.5總電路圖

總電路圖如圖2所示。當振動管內有被測液體時，被測液體隨著振動管一起振動。U型管的位移振動信號由拾振器拾取，經信號處理電路處理后，一路經相位調整和功率放大后送激振器電磁線圈以產生滿足相位和幅值要求的激振力，一路變為標準脈沖信號輸出。輸出的脈沖信號，通過放大電路對信號的幅值進行放大，又分為兩路信號，一路作為D觸發器的時鐘信號，一路送入單片機計數。單片機分別對系統時鐘定時、對被測脈沖計數，通過對D觸發器的控制實現了計數與定時的同步。然后通過P0口和P2口控制4位共陰極LED顯示電路。P0口輸出段選碼，接7407同相OC門，7407作段選碼驅動器。P2口輸出位選碼，接7406反相驅動器，當P2口位控線輸出高電平時，點亮一位LED。單片機對測得的數字信號進行處理后，計算出液體密度值。最后調用顯示程序，密度值通過LED數碼管顯示。

三、結論

設計的U型振動管液體密度計硬件結構簡單，軟件設計靈活，充分發揮了單片機結構緊湊、功能強大的優點，并且具有體積小、重量輕，攜帶使用方便、性能穩定、測量精度高且樣品種類廣等優點，可廣泛用于各類高精度密度測量場合。

參考文獻

[1]魏新華.液體密度計量裝置的研制與開發：[碩士學位論文].北京：中國農業大學. 2002.

[2]魏新華，喻谷源.一種基于單片機的智能化便攜式振動管式液體體密度計的研制[J].儀表技術與傳感器，2002（7）：12-14.

[3]魏新華，龔家偉，喻谷源等.振動管式液體密度傳感器機理的研究[J].農業機械學報，2001，9（5）：89-93.

[4] Hermarn KP.Neubert.Instrument Transducers-An Introduction to their Performance and Design.2nd Ed.Clarendon Press.Oxford.1975.