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(jù)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(wěn)定，精確度高，測量范圍寬等優(yōu)點，并利用單片機來實現(xiàn)對信號的采集，根據(jù)振動頻率與密度的關系進行數(shù)據(jù)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(fā)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(xiàn)醫(yī)藥、食品、石油化工等方面現(xiàn)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(tài)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(shù)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(yè)生產(chǎn)的質量檢測控制、計量管理水平、科學研究及貿(mào)易的發(fā)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(jīng)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(wěn)定的持續(xù)振動。當振動管內(nèi)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(tǒng)的總質量發(fā)生變化，從而改變了系統(tǒng)的固有振動頻率。經(jīng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)的質量決定，振動系統(tǒng)由振動管及管內(nèi)的液體組成，振動管的質量固定不變，振動管內(nèi)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(jīng)放大電路放大后，再送到測頻電路測頻，經(jīng)過單片機對測得的數(shù)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(fā)光二極管）顯示器[5]是由發(fā)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(shù)決定于顯示器位數(shù)，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(nèi)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(jīng)信號處理電路處理后，一路經(jīng)相位調(diào)整和功率放大后送激振器電磁線圈以產(chǎn)生滿足相位和幅值要求的激振力，一路變?yōu)闃藴拭}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(fā)器的時鐘信號，一路送入單片機計數(shù)。單片機分別對系統(tǒng)時鐘定時、對被測脈沖計數(shù)，通過對D觸發(fā)器的控制實現(xiàn)了計數(shù)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(shù)字信號進行處理后，計算出液體密度值。最后調(diào)用顯示程序，密度值通過LED數(shù)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(fā)揮了單片機結構緊湊、功能強大的優(yōu)點，并且具有體積小、重量輕，攜帶使用方便、性能穩(wěn)定、測量精度高且樣品種類廣等優(yōu)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(fā)：[碩士學位論文].北京：中國農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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.