基于超声波特性的油品密度仪设计

　　1 引 言

　　近年来随着高新技术的飞跃发展, 人们对计量的要求也在不断的提高, 从传统的静态取样测量发展到现在的动态在线测量, 从传统的人工操作发展到现在的智能控制[1]。由于密度不能直接转换成电信号, 必须先转换成浮力、压力、声速、相位、振动频率等, 然后才能转换成电信号进行处理, 这势必给密度的测量增加了很大的难度。现有的各种在线密度计应用于发油、加油密度检测又都存在许多问题, 综合来看, 要保证设计的密度计首先满足密度检测的精度要求, 又要价格低, 则密度传感器结构不能太复杂, 所选器件、材料不能太特殊, 使用要求不能太高。

　　超声波在液体介质中只能以纵波(压缩波)的形式传播, 其传播的速度、频率、相位、阻抗及衰减度等均受介质性质的影响, 因此, 可利用液体密度和超声波的某些传播性质之间的关系来测量液体密度。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制, 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求, 因此可以利用超声波对油品密度进行实时测量。

　　2 现行超声波油品密度测量技术分析

　　纵观超声测量技术的实现方法, 从测量的角度可以分为两大类: 一类是利用超声波在介质中的传播特性而发展起来的超声传播测量法; 另一类是利用超声作用被检物体的振动特性而发展起来的振动测量法[2]。在测量液体密度中常用的是第一类, 其中应用比较广泛的是传播时间法和相位差法。利用传播时间法进行检测的原理为对于大多数单一油品,当把温度T 恒定, 声程L 一定后, 超声波的传播时间t 就与油品的密度t在一定范围内成线形关系[3]。

　　计算公式为:

　　由于这种方法对时间的精度只能达到激励信号的1 个周期, 因此分辨率不高, 使其测量范围有一定的限制。

　　利用相位差法检测油品密度的原理为当超声波在油品中传播时, 相位会发生改变, 这种改变同油品的密度是相关的[4]。利用相位差法进行检测的计算公式为:

　　其中ρ为油品密度, 为超声波纵波相位差,P 为油品的弹性模量, l 为传播距离, ω为超声波的频率。从式(2)中可以看出, 影响ρ值大小的有两个未知量:与 P。的大小可以通过实验的方法测得, P 的大小在一个范围内可以被视为常数, 将这两个变量带入公式即可得出油品的密度。这种方法的测量精度比较高, 但在实际的测量中, 如果相位差恰好为信号周期的整数倍, 就会产生波形的重合, 则无法判断相位差的真实大小, 导致测量失败。

　　3 一种新的利用超声波检测油品密度的方法

　　针对前面两种测量方法的不足提出了一种新的测量方法-超声波传播时间整零分测技术, 即先用检测时间的方法确定超声波在介质中传播时间( 时间差)的整数倍周期, 再用相位差来精确确定剩余部分时间( 小于一周期) 的处理方法, 最终的输出结果即为一个精确的时间差。实现了对超声波传播时间的高精度, 宽范围测量, 测量精度不受声传播距离的影响, 提高测量精度也变为及其简单。根据这种方法所设计仪器的结构框图如图1: