一種浮漂式液體密度計的設計

閆澤昊

【摘??要】密度作為常用的物理量之一，通過對密度的檢測可以得到很多有用的信息。目前我國在石油化工、造紙、食品加工、紡織印染等很多行業都需要測量液體的密度，因此給密度計的設計提供了廣袤的市場。能快速便捷、準確可靠的測得被測液體的密度可以提高生產力，節約大量人力物力。本文提出了一種基于STC12C5A60S2單片機的壓力式液體密度計。該密度計以今市場上的浮子式密度計為基礎，在其原有的結構框架上加裝壓力傳感器與激光測距模塊進行改進而來。通過測量壓力與距離兩個物理量以實現對于液體密度的實時在線的精確測量。

【關鍵詞】密度計;流體靜力平衡原理;密度測量;單片機設計

一、研究背景及意義：

目前市面上比較流行的幾款密度計為：浮子式密度計、靜壓式密度計、振動式密度計、放射性同位素密度計。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行測量，二是利用不同密度液體的微觀性質（分子間距）不同進行測量的。根據調查可知，它們存在以下幾個問題：一般直接投入被測液體中使用的密度計大多需要人眼度數，誤差較大且不方便讀取，因此無法用于一些高精度的測量;可以精確的測量液體密度的，如電子密度天平，需要對被測液體取樣，測量過程較前者更為繁瑣，不適合對液體進行實時的監測;而那些可以直接投入液體中使用并能實時測量自動讀數的裝置，如差壓式密度計，往往體型笨重，一般對測量場地有要求且價格高昂。根據以上總結出的當前市場上的密度計存在的不足，本文基于浮子式密度計，在其基礎上進行改進，做出此密度計：它既可以實時測量液體當前密度，準確的顯示出數值，又使用方便，不需要有人為的取樣等操作，同時成本低廉、價格適中，以適用于大部分場合。

二、國內外研究現狀：

液體密度計是測定液體密度的儀器。數顯液體密度計是將現代微電子技術與傳統密度計相結合而研發出來的新型比重測試儀器。[1]液體的密度無法直接測量，密度值的獲取都為間接測得，目前較為精準的直接在線測量液體密度測量方法是振動管式、放射源同位素與差壓法。[2]差壓式密度計易受安裝位置及所測量流體周圍波動的影響產生誤差，對所測液體所處的環境有較高限制。[3]放射源同位素密度計是利用的射線強度與被透射流體密度的指數成反比關系的原理制成，原理上不可避免的受到放射性物質衰變隨機性的影響。[4]振動管密度計利用電子反饋系統將其維持在諧振狀態，當液體進入U型管時，振動管的共振頻率發生變化測量密度。[5]但由于機械慣性作用，得到諧振需要一定的時間，且裝置內有精細器件，不適合在露天惡劣環境下使用。

利用液體靜壓力稱量法的制成的密度計大多用于低精度的測量，[6]基于此制成的一些高精度密度計也多用于實驗室測量。[7]李明等?提出了一種內置型全浸浮子液體密度測量儀。該測量儀測量時需將整套裝置浸沒在液體中，液面下方環境未知，傳感器需要與液體接觸才可進行測量，增加了不確定的因素。[8]姚久民?等利用力傳感器、浮子、數據采集器制作了一款液體密度的實時測量系統。但是不難發現這種測量方法需要外界提供固定的支架以安裝力傳感器，對測量場地有要求。以上兩種在測量過程中均采用有線傳輸方式，不宜在惡劣的環境中使用。

三、研究內容：

3.1測量原理：根據阿基米德原理可知，重物所受浮力為排開液體的重量。[9]如果排開全部體積液體的重量都不足以抵消物重，物體將下沉。如果在物體適當的位置設置適量浮漂，將物體投入液體中時不僅受自身排開液體所帶來的浮力，還受浮漂對它向上的托力，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液體的重量ρ液gV排，如果浸入液體中的物體形狀規則，則可以用傳感器件測量獲得。F托即為浮漂對重物的托力，其大小等于此時浮漂所受的壓力，這個值同樣可以用敏感元件測得。而M為已知量，通過對V排和F托的測量即可測出液體的密度。

3.2裝置結構：本密度計由漂浮支撐部分和電子測量部分兩部分組件構成。

3.2.1.漂浮支撐部分是基于阿基米德原理和流體靜力學原理，利用當今市場上的浮子式密度計為基礎，在其原有的結構框架上進行改進而來。如圖所示，其主體為一個密封的鐘罩，為使它能穩定的漂浮在液面上，需要將其重心上移，因此要使重量集中在底部，同時將浮漂安裝在罩體與液面接觸的部分。為了使排開液體的體積可以測得，就要使鐘罩浸入液體中的部分形狀規則，我們采用一大圓柱套筒將鐘罩套住，底部兩筒縫隙用環形密封，并在此空間內裝入重物，因此排開液體的體積為環形的底面積×浸入液面的深度。為了使浮漂所受壓力可以測得，我們通過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.電子測量部分主要由激光測距模塊和壓力傳感模塊構成，激光測距傳感器固定在鐘罩頂端，測量其到浮漂的距離經數據采集A/D轉換輸入數據至51單片機經計算得出得出套筒浸沒液體的高度，并計算求出排開液體體積。由壓力傳感器測出浮漂對整個套筒的支撐力，經數據采集和A/D轉換輸入數據至單片機。當兩個數據都進入單片機時，再經計算可算出液體密度

圖1.產品結構框架

3.3電路構成：本裝置使用FSR402薄膜壓力傳感器與VL53L0X激光測距模塊作為測量壓力與距離的傳感器，主板由單片機系統（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：

1.功能上：操作便捷，自動讀數，實時在線測量，通過測量壓力與距離得出正確讀數。將裝置投入被測液體中即可通過液晶顯示屏直接顯示出密度值，無需人眼進行讀數或者取樣等其它操作，簡化了測量過程，減小了人為誤差。在此基礎上可以實現對液體密度的實時監測與測量，以確保生產過程中密度值不會出現較大波動。同時本裝置是通過對壓力值和距離的測量實現的密度值的獲取，實現了傳感器功能的轉化。

2.結構上：結構巧妙，無需復雜的電路結構，利用測量結構上的創新簡化了電路的復雜程度，拓寬了應用場合。鐘罩底部規則的形狀使排開液體積易于測得，鐘罩與浮漂之間的均勻傳力桿也使浮漂托力易于測得。較同類型密度計簡化了程序設計與電路設計的難度，降低了成本。同時傳感器件對密度為間接測量，敏感元件不需與液體直接接觸即可測得密度值，避免了腐蝕液體對電子裝置的腐蝕。

五、測試結果及結論：

經過數次測試，測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?的范圍內均可使用，其中在1100?Kg/m3左右測得的數據最為準確。在實際生產生活中由于水質的密度不確定，測量條件較差，普通壓力密度計在極端環境下工作性能下降，因此產品適用于一些污染高、液體密度變化程度較大的場所，如造紙廠、污水處理廠、石油化工廠等。

參考文獻：

[1]張欲曉，樊尚春.液體密度傳感器[J].計測技術，2006，26（1）：1-3.

[2]毛冬梅.差壓式密度計在選煤廠中的應用與改進[J].工礦自動化，2013（3）.

[3]王海群，曹義，張玉貴，et?al.差壓式重介煤漿密度計的設計及實現[J].礦山機械，2011，39（2）：109-112.

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

[5]邱國盛，孟現陽，吳江濤.高壓振動管密度計實驗系統的改進[C]//?中國工程熱物理學會.2012.

[6]顧英姿，陳朝暉，許常紅，et?al.液體靜力稱量法液體密度測量及其不確定度評定[J].計量技術，2006（6）.

[7]李明.內置型全浸浮子雙向測力式液體密度測量儀[J].石油與天然氣化工.

[8]姚久民，戰琳.液體密度的實時測量[J].唐山師范學院學報，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）