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一种浮漂式液体密度计的设计

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闫泽昊

【摘??要】密度作为常用的物理量之一,通过对密度的检测可以得到很多有用的信息。目前我国在石油化工、造纸、食品加工、纺织印染等很多行业都需要测量液体的密度,因此给密度计的设计提供了广袤的市场。能快速便捷、准确可靠的測得被测液体的密度可以提高生产力,节约大量人力物力。本文提出了一种基于STC12C5A60S2单片机的压力式液体密度计。该密度计以今市场上的浮子式密度计为基础,在其原有的结构框架上加装压力传感器与激光测距模块进行改进而来。通过测量压力与距离两个物理量以实现对于液体密度的实时在线的精确测量。

【关键词】密度计;流体静力平衡原理;密度测量;单片机设计

一、研究背景及意义:

目前市面上比较流行的几款密度计为:浮子式密度计、静压式密度计、振动式密度计、放射性同位素密度计。它们基于的原理大致上可以分成两种:一是利用相同量不同密度的液体的重量的不同进行测量,二是利用不同密度液体的微观性质(分子间距)不同进行测量的。根据调查可知,它们存在以下几个问题:一般直接投入被测液体中使用的密度计大多需要人眼度数,误差较大且不方便读取,因此无法用于一些高精度的测量;可以精确的测量液体密度的,如电子密度天平,需要对被测液体取样,测量过程较前者更为繁琐,不适合对液体进行实时的监测;而那些可以直接投入液体中使用并能实时测量自动读数的装置,如差压式密度计,往往体型笨重,一般对测量场地有要求且价格高昂。根据以上总结出的当前市场上的密度计存在的不足,本文基于浮子式密度计,在其基础上进行改进,做出此密度计:它既可以实时测量液体当前密度,准确的显示出数值,又使用方便,不需要有人为的取样等操作,同时成本低廉、价格适中,以适用于大部分场合。

二、国内外研究现状:

液体密度计是测定液体密度的仪器。数显液体密度计是将现代微电子技术与传统密度计相结合而研发出来的新型比重测试仪器。[1]液体的密度无法直接测量,密度值的获取都为间接测得,目前较为精准的直接在线测量液体密度测量方法是振动管式、放射源同位素与差压法。[2]差压式密度计易受安装位置及所测量流体周围波动的影响产生误差,对所测液体所处的环境有较高限制。[3]放射源同位素密度计是利用的射线强度与被透射流体密度的指数成反比关系的原理制成,原理上不可避免的受到放射性物质衰变随机性的影响。[4]振动管密度计利用电子反馈系统将其维持在谐振状态,当液体进入U型管时,振动管的共振频率发生变化测量密度。[5]但由于机械惯性作用,得到谐振需要一定的时间,且装置内有精细器件,不适合在露天恶劣环境下使用。

利用液体静压力称量法的制成的密度计大多用于低精度的测量,[6]基于此制成的一些高精度密度计也多用于实验室测量。[7]李明等?提出了一种内置型全浸浮子液体密度测量仪。该测量仪测量时需将整套装置浸没在液体中,液面下方环境未知,传感器需要与液体接触才可进行测量,增加了不确定的因素。[8]姚久民?等利用力传感器、浮子、数据采集器制作了一款液体密度的实时测量系统。但是不难发现这种测量方法需要外界提供固定的支架以安装力传感器,对测量场地有要求。以上两种在测量过程中均采用有线传输方式,不宜在恶劣的环境中使用。

三、研究内容:

3.1测量原理:根据阿基米德原理可知,重物所受浮力为排开液体的重量。[9]如果排开全部体积液体的重量都不足以抵消物重,物体将下沉。如果在物体适当的位置设置适量浮漂,将物体投入液体中时不仅受自身排开液体所带来的浮力,还受浮漂对它向上的托力,便可以抵消物体的重力(M=F浮力?+F托力),使之漂浮在液面上。其中物体所受浮力为物体排开液体的重量ρ液gV排,如果浸入液体中的物体形状规则,则可以用传感器件测量获得。F托即为浮漂对重物的托力,其大小等于此时浮漂所受的压力,这个值同样可以用敏感元件测得。而M为已知量,通过对V排和F托的测量即可测出液体的密度。

3.2装置结构:本密度计由漂浮支撑部分和电子测量部分两部分组件构成。

3.2.1.漂浮支撑部分是基于阿基米德原理和流体静力学原理,利用当今市场上的浮子式密度计为基础,在其原有的结构框架上进行改进而来。如图所示,其主体为一个密封的钟罩,为使它能稳定的漂浮在液面上,需要将其重心上移,因此要使重量集中在底部,同时将浮漂安装在罩体与液面接触的部分。为了使排开液体的体积可以测得,就要使钟罩浸入液体中的部分形状规则,我们采用一大圆柱套筒将钟罩套住,底部两筒缝隙用环形密封,并在此空间内装入重物,因此排开液体的体积为环形的底面积×浸入液面的深度。为了使浮漂所受压力可以测得,我们通过一根可伸缩连杆将钟罩与浮漂相连,并在其间嵌入压力传感器。

3.2.2.电子测量部分主要由激光测距模块和压力传感模块构成,激光测距传感器固定在钟罩顶端,测量其到浮漂的距离

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