在线式液体密度测量技术简述

杨昌群,徐 宸

（1.国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司，广东 广州 518067；2.哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 1500001）

1 引言

密度测量的概念起源甚早，早在先秦时期，我国就已经产生密度有关的记载[1]。世界上第一个密度计专利申请是在1950年提交的。到目前为止，国内外的密度计产品都有着比较成熟的体系。根据不同的测量原理，密度检测方法可分为两类。一种是由公式推导出的直接测量法。这种方法通常是传统的离线测量方法，如密度瓶法、比重计平衡法和玻璃浮法计法[2]，另一种是特定的物理量同密度值建立关系的间接测量方法。这种方法通常是振动、射线或超声波等在线测量方法[3]。工业生产中更多地采用间接测量，间接测量法具有快速、直观、方便实时监控等特点。

现有的密度计呈现出密度测量行业的数字化和精确化的发展趋势。本文将针对几种主流的液体密度检测方法、原理和性质进行介绍，并对这些测量方法的典型产品进行介绍，对未来的发展趋势进行展望。

2 传统离线密度测量

2.1 密度瓶法

密度瓶法需要使用电子天平和参考溶液(通常是纯水)。使用过程中要保证持续的恒温，瓶内液体应避免产生气泡[4]。用天平称量装满纯水的密度瓶和待测液体。纯水的密度和质量通常是已知的，因此可以确定密度瓶的体积，根据被测液体的重量间接得到被测液体的密度。

使用这种测量原理的设备种类和规格繁多，如温度比重瓶、密度杯等，具有方法简单、组装容易、使用被测液体少等特点，常用于实验室中的离线测量，其常见的规格为10-100ml，但是不能用于在线检测的工业生产中。

2.2 液体比重秤

液体比重秤采用阿基米德原理，其结合了现代电子技术，该系统由立柱、横梁和悬挂构成。玻璃测量锤的体积在液体比重秤上是固定的。液体密度通过测量钩码的数量以及位置获得[5]。

液体比重平衡法是国际通用的液体密度测量方法之一。与传统的天平法和比重瓶法相比，可操作性强，不受热胀冷缩、清洗困难、操作繁琐因素的影响。但是，这种测量方法的特殊性在于其配套部件较多，而且在使用前必须对秤进行预组装和调整。它具有较差的可重复性，并且用户需要认真维护设备。

2.3 玻璃浮计

玻璃浮计是一种浮子式传感器，基于阿基米德原理，物体浸入液体后受向上的浮力，浮力的大小与液体重力相同。简单而言，液体的测量浮力与其密度有关。浮子的上下移动由浮力的变化改变，产生的位移变化可以确定被测液体的密度。位移量可以通过刻线直接读取，也可以通过转换装置转换成电信号，由上位机显示和控制。测量结果需经过温度的校正及补偿[6]。

玻璃浮计的读数使用起来简单直观，但同时也有许多缺点。玻璃浮计仪表本身很脆弱，在使用过程中应多加注意。需要更多的被测液体。使用时需要区分是顶边读取还是底边读取。必须重复测量，尽量减少人眼误差，而且只适用于静态测量，不适用于动态测量，对测量环境要求更高。

3 在线式液体密度测量

3.1 超声波式液体密度测量

20KHz以上的机械波称为超声波，通常在液体内以纵波传播。传播速度、频率、相位和衰减都受介质特性的影响。因此，液体的密度与超声波的特定传播特性之间的关系可用于测量液体的密度。综合超声密度测量方法可分为两大类，一类是利用超声波在介质中的传播特性的超声波传播测量方法，另一类是利用超声波振动测量方法监测被测液体[7]。

我国超声波密度计发展起步较晚，对环境要求高、维护成本高、检测速度慢。使用最多的超声波密度计是用于气体和泥浆测量的密度计，成型产品大部分是进口的。欧美公司先后推出了各种具有高精度、响应速度快等特点的超声波密度计，工业生产中已经成功应用。例如德国SensoTech公司生产的Liquisonic系列超声波密度计可以测量接近270种不同液体的密度，如图1 所示。7828 型超声波密度计由英国Solartron Molbrey生产，可以对酸、碱和醇进行测量。

图1 Liquisonic超声波密度计

3.2 电容式液体密度测量

电容式液体密度测量原理是利用标准物体在不同被测液体中的不同浮力，导致连接到标准物体的电容器的两个极板之间的距离发生变化，从而产生电容改变[8]。由阿基米德定律得知，体积为V、质量为M 的浮子悬挂到弹性导轨的挂钩上。弹性导轨在重力的影响下在弹性范围内初始向下形变。浮子将置于被测液体，浮子和弹性导轨在浮力作用下位移量为：

其中：ρ0是浮子密度，ρ是液体密度。将电容器与弹性导轨刚性连接到一起，弹性导轨的上下运动改变电容器的电容量和电容器电压。电压通过负反馈放大器输出，通过电压-密度的关系求解出密度值。

3.3 射线式液体密度测量

射线式液体密度测量法是通过放射测得同位素穿过液体介质时强度的变化来测量液体密度[9]。射线式液体密度测量法具有以下优点： 测量过程中不接触被测液体，实现了非接触式测量；液体流动无阻力，无流量限制；多相液体密度测量。但具有以下缺点：需要放射性辐射源；稳定时间较长；分辨力不高。假设射线穿过液体前后的强度分别为J0和J，射线穿过液体的路径为d，液体密度为ρ，质量吸收系数为n，有关系式：

佘新平利用γ射线式密度传感器实现了石油勘探中的应用，避免了传感器与γ射线相接触，其灵敏度高于一般的传感器，但在使用的过程中必须采取正确的操作方式，否则将会受到不同程度的放射性伤害。北京华科拓普电子仪器有限公司生产的华科HC-1000型核子密度计如图2所示，利用γ射线穿过被测物质后，其强度随密度的变化而相应变化的规律来测定密度、浓度。其测量精度可达到±0.001g/cm3。广泛地应用于石油开采、化工、炼油、冶金等多种行业。

图2 华科HC-1000型密度计

3.4 谐振式液体密度测量

谐振液体密度测量法是利用谐振子的振动特性进行的。谐振子振动的过程，共振液体密度可等价为同一个系统，是一个以固有频率振荡的单自由度系统，单系统固有频率只同系统中等效弹性系数ke和等效质量me有关。其公式为：

谐振元件和被测液体相互接触，使得系统总质量发生变化，从而导致系统的振动频率变化。通过频率的变化来确定被测液体实时的密度值[10]。谐振式传感器主要包含以下三种振动方式。

(1) 音叉式液体密度传感器

音叉液体密度测量法原理为，被测液体在音叉附近振动时，会改变音叉的固有频率，根据固有频率的变化而确定被测液体的密度[11]。有两种常用的方法。 一种将音叉置于被测液体，另一种是音叉安装到管道用于测量。音叉液体密度传感器通常由几部分组成，例如激励电路、拾振电路、音叉体、永磁体等组成，具体示意图如图3所示。

图3 音叉式液体密度传感器结构示意图

由振动方程推导，音叉体的自然频率f 可由式(5)表示。

式中k是比例系数。从上式(5)得出，自然频率f与其质量ms和被测液体质量mf的总质量成反比。当流经音叉体的被测液体密度改变时，总质量的改变导致音叉的固有频率产生改变，检测音叉体的固有频率的变化从而确定液体的密度。

美国高准公司的7826/7828系列音叉密度计如图4所示。它可以测量高粘度液体，能够工作的温度范围为-50至120℃，受环境影响小。它可以对管道、旁路和储罐进行连续实时测量，采用独特的在线设计，最长可达13 英尺。 国内恩普仪器有限公司生产的EP-6100音叉密度计精度为0.002g/cc，可用于石油化工、选矿、食品加工等行业。

图4 7826/7828系列音叉式密度计

音叉式密度计适用于小口径的内部液体密度检测。音叉传感器具有测量精度高、实时在线、可实现数字连续测量等特点。该传感器音叉材质高，结构复杂，加工难度大，音叉的形状和尺寸对效果影响大。

(2) 科氏质量流量计

科氏流量计是非常有前景的直接质量流量计。学者们发现，科氏质量流量计也可以用来测量密度。根据检测管的形状，分为弯管式、微管式、直管式三种[12]。 工作过程是在运动物体旋转的参考系中产生科里奥利加速度。通过固定液体流过的特定管段的两端而形成类似于U 形管的结构。受迫振动以便管段中的每个微元件部分产生科里奥利加速度。管内部的液体是由于科里奥利加速度，产生作用在管壁上的科里奥利反作用力，其大小与质量流量成正比。通过计算质量流量从而解算出液体当前的密度。

目前，科氏质量流量计生产公司主要以国外为主。其中美国Micro Motion 公司生产的T-Series 直管式流量计在100：1的量程比范围内，最大测量误差在1.57%以内，重复性优于0.05%；德国的Endress+Hause 公司生产的Promass I100科氏质量流量计如图5所示，量程比在250：1范围内，最大误差为1.875%，重复性低于0.05%。国内企业主要生产弯管式科里奥利质量流量计。目前开始生产略微弯曲的科里奥利质量流量计，但尚未开发出直管科里奥利质量流量计。

图5 Promass I100科氏质量流量计

科里奥利流量计具有以下优点：密度测量过程可以阻断液体温度、压力、粘度等参数对结果的干扰，计算体积流量等指标。旋转参考系的引入造成流量计的制造工艺较复杂，动态使用效果不良，不能广泛投入到工业生产。

(3) 振动管式液体密度传感器

振动管式密度计如图6所示，主要由检测部分与持续放大器组成，其敏感元件为振动长管，通过构建驱动电路部分，使振管在平面振荡，液体密度计算为测量得到的管内液体的密度的平均值。其工作原理是当振动管中有待测液体时，待测液体同振动管共同振动，系统的固有频率由于振动过程的总质量改变而改变。通过标定和校准，可以将谐振频率转换为被测液体的密度值，通过测量频率的变化确定被测液体密度。

图6 振动管式密度计结构示意图

英国的Solartron 公司生产的7835/7845系列振动管式液体密度计如图7所示，可以对管道或罐体的液体密度进行连续、实时地在线测量，其精度达到0.00015g/cc；英国Sarasota 公司研制的FD810/FD820 型号的振动管式密度计，为液体和浆体处理提供高精确度测量，能够实现连续的在线密度检测，此外可以在过程条件下进行测量；厦门雄发仪器有限公司生产的XF-MD型振动管液体密度计，可用于定量的包装检测和实验室的测量。对于多种不同液体，可使用密度换算软件直接读取这些液体的密度值。

图7 7835/7845系列振动管式液体密度计

振动管式密度计可以安装在管道中进行连续在线测量[13]。测量精度可达0.05%以上。输出易于以数字方式传输。振动管密度计具有稳定性好、分辨率高、温漂小、漂移误差小、矫顽磁干扰能力强等特点，使其成为理想的液体密度检测方法。

4 结束语

密度测量在多个行业领域都有着关键的作用，密度测量的各种仪器的制造吸引了各个国家的科研专家的广泛关注。20世纪60年代以来，工业现代化快速发展，使得对液体密度在线监测的需求日益迫切，以此减小原材料的大量损耗，提高生产的质量。密度的测量方法通常由静态和动态构成，静态液体密度检测包括称重法、浮力法等传统的测量方法，不适用于目前工业生产的需求，不能实时地检测密度值，需要在实验室中实现测量；动态液体密度检测包括超声波式、电容式、射线式、振动式等多种方法，其测量的结果准确、可靠，反应时间短，能够有效的指导工业生产，提高生产效率，适用于多数工业生产的在线测量。

动态密度测量方法中，超声波密度测量具有测量精度高、响应快、无放射性等特点，但其受杂质干扰较大，影响密度计的测量精度和稳定性，介质粘度、电磁干扰和寄生电容需要在设计的时候多加考虑；射线式测量方法通过γ 射线具有良好的穿透能力，因此不会被液体的流速、振动所干扰，具有良好的抗干扰能力，但由于射线源具有放射性，使用的过程对操作员有一定的危险性，通常用于工业生产中；电容式测量方法利用浮力进行测量，测量过程中可以有效的避免传统式浮子密度测量法精度低的问题，但是其动态测量精度较低，且反应时间长；谐振密度测量具有分辨率高、精确度好、抗电磁干扰能力强、在线检测方便、稳定性好等诸多优良性能。因此，基于谐振原理的密度测量技术得到迅速发展，目前成为密度测量的主流方式。未来，面对未知的发展方向，密度测量将继续蓬勃发展。它与经济、技术、政治等人类需求息息相关，需科研人员共同努力，使液体密度在线测量方式更加完善、成熟。