液體密度感測器

密度是表征物質特性的物理量，在科學技術大力發展的今天，對它的測量幾乎涉及到每一個生產的部門。套用相當的廣泛，隨著測量技術數位化、自動化，對密度的線上測量要求越來越迫切。

根據測量原理，有關密度的測量方式可分為兩大類：

一時源於密度基本公式的直接測量；

二是利用密度量與某些物理量關係的間接測量。在工業生產中更多的使用間接測量，間接測量具有快速、直接、便於計算機實時監控的優點。液體密度感測器分為很多種。

基本介紹

• 中文名：液體密度感測器
• 外文名：liquid density transducer
• 含義：密度是表征物質特性的物理量
• 套用：對密度的線上測量
• 優點：便於計算機實時監控

介紹

密度作為各種物質的重要物性參數之一，世界上許多科技先進的國家，如英國、美國、德國、日本等，對於密度測量和套用都進行了深入的研究，並開發出一系列密度測量產品。密度測量廣泛地套用於現代國防、科技、工業、農業和日常生活等領域，是體現一個國家計量水平的重要方面。

常用的線上式液體密度計種類很多，有振動式液體密度計、電容式液體密度計、射線式液體密度計和超聲式液體密度計。這幾種液體密度計在測量現場中都有各自的特點：振動式和電容式成本低，在測量中套用較多。但測量準確度不高，維護較為麻煩；射線式可進行非接觸的測量，但存在射線的輻射危害，因此，使用較少；超聲式液體密度計的套用範圍很廣，維護方便，測量準確度高，對人體沒有危害，是實現液體密度動態測量的最具前途的一種感測器。

分類

1.諧振式液體密度感測器

2.超音波密度感測器

3.振動管式液體密度感測器

4.音叉式液體密度感測器

5.射線式液體密度感測器

6.電容式液體密度感測器

諧振式液體密度感測器

諧振式測量原理是通過諧振子的振動特性來實現的。諧振子在工作過程中，可以等效的為一個單自由度系統，以系統的固有頻率振動，系統的固有頻率只與系統中的等效質量和等效彈性係數有關。

諧振式液體密度感測器測量原理是通過系統中的彈性敏感元件和液體相接觸。從而改變了系統的等效質量，使得系統的固有頻率發生變化。通過測量系統的固定頻率變化，確定待測液體的密度。

振動管式液體密度感測器

振動管式液體密度感測器的敏感元件是振動長管，其長度近似於管徑的20倍。通過合理的安排驅動部件，可以使管在一個平面內振動，測得的密度為流經管內液體的平均質量密度。振動管式液體密度感測器根據所用管的情況分為單管和雙管兩種。單管感測器又有直管和彎管之分。 彎管對流動液體的阻力比直管大。所以彎管的壓力損失比直管的損失大。 雙直管的尺寸要比單直管的小，並且雙管相向振動，可以很好的實現動態平衡。

振動管式液體密度計是一種用途廣泛的計量儀表。振動式密度感測器是基於振動管的固有頻率隨流經的液體密度變化而變化的原理研製的。在工業現場直接套用的單管振動式液體密度計，具有使用方便、性能穩定、測量精度高且樣品種類廣等優點，可廣泛用於各類高精度密度測量。振動管式密度計已經套用到石油化工領域，主要技術指標基本滿足用戶要求，部分地取代了進口產品。但在測量精度和長期工作穩定性等技術指標上，與國外產品還有很大差距。

音叉式液體密度感測器

是利用小質量的音叉在液體中振動時其固有頻率的變化來測量液體的密度。

一般分為兩種方式：一是將音叉測量置入測量腔體內，液體流進腔體，用電磁方式驅動音叉振動；另一個方式是將音叉直接安裝在管線上，通常用微處理器來控制音叉的振動頻率、檢驗諧振頻率，並將頻率量轉化成密度值。為了滿足高精度測量的要求，需要檢測諧振頻率的微小變化，因此應合理的設計振動單元，使振動單元有一個比較高的機械品質因數。一般音叉常用不鏽鋼或玻璃製成。

射線式液體密度感測器

射線式液體密度感測器的有點：感測器不接觸待測液體，可實現非接觸測量；對液體流動不會產生阻力，對流量大小也沒有限制，可以測量多相液體密度。缺點：需要放射性射線源；有一個較長的時間穩定性；分辨力不高。

超音波密度感測器

超音波頻率高於20kHz的一種機械波、超音波在液體介質中只能以縱波的形式傳播。其傳播的頻率、相位、速度及衰減度均受到介質性質的影響，因此可以利用液體密度和超音波的某些傳播性質之間的關係來測量液體的密度。主要優點有：可以實現非接觸測量，回響快，測量精度高；無放射性，對人體無害；沒有運動部件，測量穩定性好。 缺點：液體介質中的雜質，如氣泡等可引起超音波信號的嚴重衰減。使測量有些不穩定；對粘性介質，精密測量時必須要考慮介質粘度的影響。

探頭選擇

超音波密度感測器又叫做超音波換能器。發射或接收超聲的器件叫超聲換能器。壓電換能器是目前最常用的超音波換能器，它在發射和接收都占有獨特的地位。壓電換能器的核心是壓電晶體。壓電晶體主要是根據壓電效應來工作的。

壓電晶片的選擇

壓電晶片有很多種類型，綜合各項指標考慮，首選壓電陶瓷 PTZ5。大部分組成接近於富鈦四方相和富鋯三方相的相界，已進行前呈極化並有最佳壓電性能。採用壓電陶瓷的理由如下：電聲轉換效率高；易於電路匹配；材料性能穩定；價廉，易於加工；具有非水溶性，耐濕、防潮、機械強度較大。

壓電晶片頻率的選擇

在液體中超音波是以縱波形式進行傳播，液體中的粒子和氣泡會對超音波造成散射衰減。若超音波的頻率太低，則衰減特性不明顯，不能保證測量的準確性；若頻率選擇過高，一是晶片製作較為麻煩；二是衰減太大，有可能接收不到信號或是接收到的信號很弱，不利於測量。通常所選擇的頻率在1 ~ 10 MHZ 之間。考慮到接收的效果和後續處理電路的複雜程度，通常選擇2 MHZ 左右的頻率。

探頭的製作

探頭的製作工藝要求嚴格，通常要求在無塵的環境中進行，有必要的溫度、濕度控制設備，必要的工裝夾具。

電容式液體密度感測器

電容式液體密度感測器的原理是利用標準物體在不同待測液體中的浮力不同，從而引起與標準物體相連的電容兩個極板間的距離不同，導致電容發生變化。

由於不同液體密度感測器所適於的場合不同，實際使用時，應根據所測量液體的性質和對測量精度的要求等選擇合適的感測器。