高精度多声道超声波密度计.pdf

2015年
仪表术与传惑器
2015
第2期
Instrument Technique and Sensor
高精度多声道超声波密度计
张兴红,郸磊,陈鑫,何涛
重庆理工大学,时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室,400054重庆)
摘要:当超声波在介质中传播时,其传播速度受介质密度的影响。基于此种特性,设计了一种高精度的超声波密度
计。通过测量超声波在介质中的传播速度来间接实现被测介质密度的高精度测量。由于采用了高分辦率和高速度的信
号采集电路以及数字细分算法,使超声波传播时间的测量达到ns级,为超声波密度计实现测量分辨率优于10g/m的高
精度密度测量提供了保障。设计中采用分布式测头,将多对测头均匀布置在装有被测介质的容器外壁,使测得容器中被
测介质的密度更加准确可靠。
关键词:超声波;分布式;密度测量;数字细分;高精度
中图分类号:TP216
文献标识码:A
文章编号:1002-1841(2015)02-0020-03
Design of High-precision Multi-channel Ultrasonic Densimeter
ZHANG Xing-hong, QIU Lei, CHEN Xin, HE Tao
Chongging Key Laboratory of Time-grating Sensing and Advanced Testing Technology
Chongqing University of Technology, Chongqing 40054, China)
Abstract: The propagation speed of ultrasonie wave is affected by the mediums density when propagating in the medium
high accuracy multi-channel densimeter was designed on the basis of this characteristic. The high accuracy measurement of the
measured medium s density was realized indirectly by measuring the propagation speed of ultrasonic wave. The high resolution and
fast signal collection circuit and the digital subdivision algorithms made the measurement of the ultrasonic wave propagation time
reach nanoseconds, making sure that the ultrasonic densimeter can realize high-precision density measurement with the resolution
better than 10 g/m. In the design, the measuring probes were distributed. Several couples of measuring probes were uniforml
laced on the outer wall of vessel which was contained with the measured medium, and this design was conducive to make the
measurement results more accurate and reliable
Key words: ultrasonic wave; distributed; density measurements; digital subdivision; high accuracy
0引言
好应用前景的密度传感器?。
密度是表征物质特性的物理量之一,密度测量广泛地应用于1超声波密度计的工作原理
现代国防、科技、工业、农业和日常生活等领域,是体现一个国家计
利用超声波技术实现密度的量是根据超声波在介质中
量水平的重要方面"。由于密度不能直接转换成电信号,必须先转传播时,其传播速度与介质的密度有关,当介质密度发生变化
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时,超声波传播速度也会发生改变。因此,可以通过测量超声
行处理。这势必给密度的测量增加了很大的难度2。
波在介质中的传播速度来间接测量介质密度。式(1)为超声波
工业上常用的液体密度计种类很多,有振动式液体密度的传播介质为液体时,传播速度与介质密度的关系式?:
计、电容式液体密度计、射线式液体密度计等。这些液体密度
计在使用过程中都存在着一些不足之处,如:振动式和电容式
成本低,在测量中应用较多,但测量准确度不高,维护较为式中:c为超声波在介质中的传播速度;p为介质的密度;k为介
烦;射线式可进行非接触的测量,但存在射线的辐射危害而较
质的弹性模量。
少被使用3。
超声波传播速度与传播时间的关系式为
近年来,随着高新技术的飞跃发展,提出了利用超声法测
量液体密度的新思路。用超声波来测量液体密度,其优点为
2
实现了测量的非接触性和连续性,如果与控制系统连接,就可式中:d为超声波的传播距离:为传播时间。
以随时控制液体的密度,使其保持一定的均匀性。超声波式
由式(2)可得:当超声波传播距离一定时,只要测得超卢波
密度传感器可以实现非接触高精度密度动态测量,是一种有很
的传播时间就可以得出传播速度。
综合式(1)、式(2)可知,在传播距离一定时,只要测出超声
基金项目:国家自然科学基金资助项目(512755);重庆市白然科学基波在介质中的传播时间就可以得出介质密度。
金资助项目(cstc2012jA70004,cstc2012j)A40062
收稿日期:2014-01~-08收修改稿日期:2014-10-2
在设计中采用分布式测头,即将多对测头均匀安装在装有