一种浮漂式液体密度计的设计

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经数据采集A/D转换输入数据至51单片机经计算得出得出套筒浸没液体的高度，并计算求出排开液体体积。由压力传感器测出浮漂对整个套筒的支撑力，经数据采集和A/D转换输入数据至单片机。当两个数据都进入单片机时，再经计算可算出液体密度

图1.产品结构框架

3.3电路构成：本装置使用FSR402薄膜压力传感器与VL53L0X激光测距模块作为测量压力与距离的传感器，主板由单片机系统（STC12C5A60S2）、程序下载部分、供电部分、显示部分、引出串口部分组成;

图2.工作原理流程图

四、装置特点：

1.功能上：操作便捷，自动读数，实时在线测量，通过测量压力与距离得出正确读数。将装置投入被测液体中即可通过液晶显示屏直接显示出密度值，无需人眼进行读数或者取样等其它操作，简化了测量过程，减小了人为误差。在此基础上可以实现对液体密度的实时监测与测量，以确保生产过程中密度值不会出现较大波动。同时本装置是通过对压力值和距离的测量实现的密度值的获取，实现了传感器功能的转化。

2.结构上：结构巧妙，无需复杂的电路结构，利用测量结构上的创新简化了电路的复杂程度，拓宽了应用场合。钟罩底部规则的形状使排开液体积易于测得，钟罩与浮漂之间的均匀传力杆也使浮漂托力易于测得。较同类型密度计简化了程序设计与电路设计的难度，降低了成本。同时传感器件对密度为间接测量，敏感元件不需与液体直接接触即可测得密度值，避免了腐蚀液体对电子装置的腐蚀。

五、测试结果及结论：

经过数次测试，测得装置在几种不同密度的液体中的使用情况显示，装置在900Kg/m3-2000Kg/m3 的范围内均可使用，其中在1100 Kg/m3左右测得的数据最为准确。在实际生产生活中由于水质的密度不确定，测量条件较差，普通压力密度计在极端环境下工作性能下降，因此产品适用于一些污染高、液体密度变化程度较大的场所，如造纸厂、污水处理厂、石油化工厂等。

参考文献：

[1]张欲晓，樊尚春.液体密度传感器[J].计测技术，2006，26（1）：1-3.

[2]毛冬梅.差压式密度计在选煤厂中的应用与改进[J].工矿自动化，2013（3）.

[3]王海群，曹义，张玉贵，et al.差压式重介煤浆密度计的设计及实现[J].矿山机械，2011，39（2）：109-112.

[4]赵知礼，刘慧颖.DDM-1便携式振动管液体密度计的研究[J].石油管材与仪器，2001，15（4）：28-30.

[5]邱国盛，孟现阳，吴江涛.高压振动管密度计实验系统的改进[C]// 中国工程热物理学会.2012.

[6]顾英姿，陈朝晖，许常红，et al.液体静力称量法液体密度测量及其不确定度评定[J].计量技术，2006（6）.

[7]李明.内置型全浸浮子双向测力式液体密度测量仪[J].石油与天然气化工.

[8]姚久民，战琳.液体密度的实时测量[J].唐山师范学院学报，2008，30（2）：15-17.

[9]李剑，董晓章.阿基米德原理演示仪：.

（作者单位：河北大学）