楊昌群,徐 宸

（1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華南分公司，廣東 廣州 518067；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 1500001）

1 引言

密度測量的概念起源甚早，早在先秦時期，我國就已經(jīng)產(chǎn)生密度有關(guān)的記載[1]。世界上第一個密度計專利申請是在1950年提交的。到目前為止，國內(nèi)外的密度計產(chǎn)品都有著比較成熟的體系。根據(jù)不同的測量原理，密度檢測方法可分為兩類。一種是由公式推導(dǎo)出的直接測量法。這種方法通常是傳統(tǒng)的離線測量方法，如密度瓶法、比重計平衡法和玻璃浮法計法[2]，另一種是特定的物理量同密度值建立關(guān)系的間接測量方法。這種方法通常是振動、射線或超聲波等在線測量方法[3]。工業(yè)生產(chǎn)中更多地采用間接測量，間接測量法具有快速、直觀、方便實時監(jiān)控等特點。

現(xiàn)有的密度計呈現(xiàn)出密度測量行業(yè)的數(shù)字化和精確化的發(fā)展趨勢。本文將針對幾種主流的液體密度檢測方法、原理和性質(zhì)進行介紹，并對這些測量方法的典型產(chǎn)品進行介紹，對未來的發(fā)展趨勢進行展望。

2 傳統(tǒng)離線密度測量

2.1 密度瓶法

密度瓶法需要使用電子天平和參考溶液(通常是純水)。使用過程中要保證持續(xù)的恒溫，瓶內(nèi)液體應(yīng)避免產(chǎn)生氣泡[4]。用天平稱量裝滿純水的密度瓶和待測液體。純水的密度和質(zhì)量通常是已知的，因此可以確定密度瓶的體積，根據(jù)被測液體的重量間接得到被測液體的密度。

使用這種測量原理的設(shè)備種類和規(guī)格繁多，如溫度比重瓶、密度杯等，具有方法簡單、組裝容易、使用被測液體少等特點，常用于實驗室中的離線測量，其常見的規(guī)格為10-100ml，但是不能用于在線檢測的工業(yè)生產(chǎn)中。

2.2 液體比重秤

液體比重秤采用阿基米德原理，其結(jié)合了現(xiàn)代電子技術(shù)，該系統(tǒng)由立柱、橫梁和懸掛構(gòu)成。玻璃測量錘的體積在液體比重秤上是固定的。液體密度通過測量鉤碼的數(shù)量以及位置獲得[5]。

液體比重平衡法是國際通用的液體密度測量方法之一。與傳統(tǒng)的天平法和比重瓶法相比，可操作性強，不受熱脹冷縮、清洗困難、操作繁瑣因素的影響。但是，這種測量方法的特殊性在于其配套部件較多，而且在使用前必須對秤進行預(yù)組裝和調(diào)整。它具有較差的可重復(fù)性，并且用戶需要認真維護設(shè)備。

2.3 玻璃浮計

玻璃浮計是一種浮子式傳感器，基于阿基米德原理，物體浸入液體后受向上的浮力，浮力的大小與液體重力相同。簡單而言，液體的測量浮力與其密度有關(guān)。浮子的上下移動由浮力的變化改變，產(chǎn)生的位移變化可以確定被測液體的密度。位移量可以通過刻線直接讀取，也可以通過轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電信號，由上位機顯示和控制。測量結(jié)果需經(jīng)過溫度的校正及補償[6]。

玻璃浮計的讀數(shù)使用起來簡單直觀，但同時也有許多缺點。玻璃浮計儀表本身很脆弱，在使用過程中應(yīng)多加注意。需要更多的被測液體。使用時需要區(qū)分是頂邊讀取還是底邊讀取。必須重復(fù)測量，盡量減少人眼誤差，而且只適用于靜態(tài)測量，不適用于動態(tài)測量，對測量環(huán)境要求更高。

3 在線式液體密度測量

3.1 超聲波式液體密度測量

20KHz以上的機械波稱為超聲波，通常在液體內(nèi)以縱波傳播。傳播速度、頻率、相位和衰減都受介質(zhì)特性的影響。因此，液體的密度與超聲波的特定傳播特性之間的關(guān)系可用于測量液體的密度。綜合超聲密度測量方法可分為兩大類，一類是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性的超聲波傳播測量方法，另一類是利用超聲波振動測量方法監(jiān)測被測液體[7]。

我國超聲波密度計發(fā)展起步較晚，對環(huán)境要求高、維護成本高、檢測速度慢。使用最多的超聲波密度計是用于氣體和泥漿測量的密度計，成型產(chǎn)品大部分是進口的。歐美公司先后推出了各種具有高精度、響應(yīng)速度快等特點的超聲波密度計，工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)成功應(yīng)用。例如德國SensoTech公司生產(chǎn)的Liquisonic系列超聲波密度計可以測量接近270種不同液體的密度，如圖1 所示。7828 型超聲波密度計由英國Solartron Molbrey生產(chǎn)，可以對酸、堿和醇進行測量。

圖1 Liquisonic超聲波密度計

3.2 電容式液體密度測量

電容式液體密度測量原理是利用標(biāo)準(zhǔn)物體在不同被測液體中的不同浮力，導(dǎo)致連接到標(biāo)準(zhǔn)物體的電容器的兩個極板之間的距離發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電容改變[8]。由阿基米德定律得知，體積為V、質(zhì)量為M 的浮子懸掛到彈性導(dǎo)軌的掛鉤上。彈性導(dǎo)軌在重力的影響下在彈性范圍內(nèi)初始向下形變。浮子將置于被測液體，浮子和彈性導(dǎo)軌在浮力作用下位移量為：

其中：ρ0是浮子密度，ρ是液體密度。將電容器與彈性導(dǎo)軌剛性連接到一起，彈性導(dǎo)軌的上下運動改變電容器的電容量和電容器電壓。電壓通過負反饋放大器輸出，通過電壓-密度的關(guān)系求解出密度值。

3.3 射線式液體密度測量

射線式液體密度測量法是通過放射測得同位素穿過液體介質(zhì)時強度的變化來測量液體密度[9]。射線式液體密度測量法具有以下優(yōu)點： 測量過程中不接觸被測液體，實現(xiàn)了非接觸式測量；液體流動無阻力，無流量限制；多相液體密度測量。但具有以下缺點：需要放射性輻射源；穩(wěn)定時間較長；分辨力不高。假設(shè)射線穿過液體前后的強度分別為J0和J，射線穿過液體的路徑為d，液體密度為ρ，質(zhì)量吸收系數(shù)為n，有關(guān)系式：

佘新平利用γ射線式密度傳感器實現(xiàn)了石油勘探中的應(yīng)用，避免了傳感器與γ射線相接觸，其靈敏度高于一般的傳感器，但在使用的過程中必須采取正確的操作方式，否則將會受到不同程度的放射性傷害。北京華科拓普電子儀器有限公司生產(chǎn)的華科HC-1000型核子密度計如圖2所示，利用γ射線穿過被測物質(zhì)后，其強度隨密度的變化而相應(yīng)變化的規(guī)律來測定密度、濃度。其測量精度可達到±0.001g/cm3。廣泛地應(yīng)用于石油開采、化工、煉油、冶金等多種行業(yè)。

圖2 華科HC-1000型密度計

3.4 諧振式液體密度測量

諧振液體密度測量法是利用諧振子的振動特性進行的。諧振子振動的過程，共振液體密度可等價為同一個系統(tǒng)，是一個以固有頻率振蕩的單自由度系統(tǒng)，單系統(tǒng)固有頻率只同系統(tǒng)中等效彈性系數(shù)ke和等效質(zhì)量me有關(guān)。其公式為：

諧振元件和被測液體相互接觸，使得系統(tǒng)總質(zhì)量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的振動頻率變化。通過頻率的變化來確定被測液體實時的密度值[10]。諧振式傳感器主要包含以下三種振動方式。

(1) 音叉式液體密度傳感器

音叉液體密度測量法原理為，被測液體在音叉附近振動時，會改變音叉的固有頻率，根據(jù)固有頻率的變化而確定被測液體的密度[11]。有兩種常用的方法。 一種將音叉置于被測液體，另一種是音叉安裝到管道用于測量。音叉液體密度傳感器通常由幾部分組成，例如激勵電路、拾振電路、音叉體、永磁體等組成，具體示意圖如圖3所示。

圖3 音叉式液體密度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

由振動方程推導(dǎo)，音叉體的自然頻率f 可由式(5)表示。

式中k是比例系數(shù)。從上式(5)得出，自然頻率f與其質(zhì)量ms和被測液體質(zhì)量mf的總質(zhì)量成反比。當(dāng)流經(jīng)音叉體的被測液體密度改變時，總質(zhì)量的改變導(dǎo)致音叉的固有頻率產(chǎn)生改變，檢測音叉體的固有頻率的變化從而確定液體的密度。

美國高準(zhǔn)公司的7826/7828系列音叉密度計如圖4所示。它可以測量高粘度液體，能夠工作的溫度范圍為-50至120℃，受環(huán)境影響小。它可以對管道、旁路和儲罐進行連續(xù)實時測量，采用獨特的在線設(shè)計，最長可達13 英尺。 國內(nèi)恩普儀器有限公司生產(chǎn)的EP-6100音叉密度計精度為0.002g/cc，可用于石油化工、選礦、食品加工等行業(yè)。

圖4 7826/7828系列音叉式密度計

音叉式密度計適用于小口徑的內(nèi)部液體密度檢測。音叉?zhèn)鞲衅骶哂袦y量精度高、實時在線、可實現(xiàn)數(shù)字連續(xù)測量等特點。該傳感器音叉材質(zhì)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，音叉的形狀和尺寸對效果影響大。

(2) 科氏質(zhì)量流量計

科氏流量計是非常有前景的直接質(zhì)量流量計。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，科氏質(zhì)量流量計也可以用來測量密度。根據(jù)檢測管的形狀，分為彎管式、微管式、直管式三種[12]。 工作過程是在運動物體旋轉(zhuǎn)的參考系中產(chǎn)生科里奧利加速度。通過固定液體流過的特定管段的兩端而形成類似于U 形管的結(jié)構(gòu)。受迫振動以便管段中的每個微元件部分產(chǎn)生科里奧利加速度。管內(nèi)部的液體是由于科里奧利加速度，產(chǎn)生作用在管壁上的科里奧利反作用力，其大小與質(zhì)量流量成正比。通過計算質(zhì)量流量從而解算出液體當(dāng)前的密度。

目前，科氏質(zhì)量流量計生產(chǎn)公司主要以國外為主。其中美國Micro Motion 公司生產(chǎn)的T-Series 直管式流量計在100：1的量程比范圍內(nèi)，最大測量誤差在1.57%以內(nèi)，重復(fù)性優(yōu)于0.05%；德國的Endress+Hause 公司生產(chǎn)的Promass I100科氏質(zhì)量流量計如圖5所示，量程比在250：1范圍內(nèi)，最大誤差為1.875%，重復(fù)性低于0.05%。國內(nèi)企業(yè)主要生產(chǎn)彎管式科里奧利質(zhì)量流量計。目前開始生產(chǎn)略微彎曲的科里奧利質(zhì)量流量計，但尚未開發(fā)出直管科里奧利質(zhì)量流量計。

圖5 Promass I100科氏質(zhì)量流量計

科里奧利流量計具有以下優(yōu)點：密度測量過程可以阻斷液體溫度、壓力、粘度等參數(shù)對結(jié)果的干擾，計算體積流量等指標(biāo)。旋轉(zhuǎn)參考系的引入造成流量計的制造工藝較復(fù)雜，動態(tài)使用效果不良，不能廣泛投入到工業(yè)生產(chǎn)。

(3) 振動管式液體密度傳感器

振動管式密度計如圖6所示，主要由檢測部分與持續(xù)放大器組成，其敏感元件為振動長管，通過構(gòu)建驅(qū)動電路部分，使振管在平面振蕩，液體密度計算為測量得到的管內(nèi)液體的密度的平均值。其工作原理是當(dāng)振動管中有待測液體時，待測液體同振動管共同振動，系統(tǒng)的固有頻率由于振動過程的總質(zhì)量改變而改變。通過標(biāo)定和校準(zhǔn)，可以將諧振頻率轉(zhuǎn)換為被測液體的密度值，通過測量頻率的變化確定被測液體密度。

圖6 振動管式密度計結(jié)構(gòu)示意圖

英國的Solartron 公司生產(chǎn)的7835/7845系列振動管式液體密度計如圖7所示，可以對管道或罐體的液體密度進行連續(xù)、實時地在線測量，其精度達到0.00015g/cc；英國Sarasota 公司研制的FD810/FD820 型號的振動管式密度計，為液體和漿體處理提供高精確度測量，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的在線密度檢測，此外可以在過程條件下進行測量；廈門雄發(fā)儀器有限公司生產(chǎn)的XF-MD型振動管液體密度計，可用于定量的包裝檢測和實驗室的測量。對于多種不同液體，可使用密度換算軟件直接讀取這些液體的密度值。

圖7 7835/7845系列振動管式液體密度計

振動管式密度計可以安裝在管道中進行連續(xù)在線測量[13]。測量精度可達0.05%以上。輸出易于以數(shù)字方式傳輸。振動管密度計具有穩(wěn)定性好、分辨率高、溫漂小、漂移誤差小、矯頑磁干擾能力強等特點，使其成為理想的液體密度檢測方法。

4 結(jié)束語

密度測量在多個行業(yè)領(lǐng)域都有著關(guān)鍵的作用，密度測量的各種儀器的制造吸引了各個國家的科研專家的廣泛關(guān)注。20世紀60年代以來，工業(yè)現(xiàn)代化快速發(fā)展，使得對液體密度在線監(jiān)測的需求日益迫切，以此減小原材料的大量損耗，提高生產(chǎn)的質(zhì)量。密度的測量方法通常由靜態(tài)和動態(tài)構(gòu)成，靜態(tài)液體密度檢測包括稱重法、浮力法等傳統(tǒng)的測量方法，不適用于目前工業(yè)生產(chǎn)的需求，不能實時地檢測密度值，需要在實驗室中實現(xiàn)測量；動態(tài)液體密度檢測包括超聲波式、電容式、射線式、振動式等多種方法，其測量的結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，反應(yīng)時間短，能夠有效的指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，適用于多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的在線測量。

動態(tài)密度測量方法中，超聲波密度測量具有測量精度高、響應(yīng)快、無放射性等特點，但其受雜質(zhì)干擾較大，影響密度計的測量精度和穩(wěn)定性，介質(zhì)粘度、電磁干擾和寄生電容需要在設(shè)計的時候多加考慮；射線式測量方法通過γ 射線具有良好的穿透能力，因此不會被液體的流速、振動所干擾，具有良好的抗干擾能力，但由于射線源具有放射性，使用的過程對操作員有一定的危險性，通常用于工業(yè)生產(chǎn)中；電容式測量方法利用浮力進行測量，測量過程中可以有效的避免傳統(tǒng)式浮子密度測量法精度低的問題，但是其動態(tài)測量精度較低，且反應(yīng)時間長；諧振密度測量具有分辨率高、精確度好、抗電磁干擾能力強、在線檢測方便、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)良性能。因此，基于諧振原理的密度測量技術(shù)得到迅速發(fā)展，目前成為密度測量的主流方式。未來，面對未知的發(fā)展方向，密度測量將繼續(xù)蓬勃發(fā)展。它與經(jīng)濟、技術(shù)、政治等人類需求息息相關(guān)，需科研人員共同努力，使液體密度在線測量方式更加完善、成熟。