在線式液體密度測量技術簡述

楊昌群,徐 宸

（1.國家石油天然氣管網集團有限公司華南分公司，廣東 廣州 518067；2.哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院，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，我國就已經產生密度有關的記載[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，國內外的密度計產品都有著比較成熟的體系。根據不同的測量原理，密度檢測方法可分為兩類。一種是由公式推導出的直接測量法。這種方法通常是傳統的離線測量方法，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]。工業生產中更多地采用間接測量，間接測量法具有快速、直觀、方便實時監控等特點。

現有的密度計呈現出密度測量行業的數字化和精確化的發展趨勢。本文將針對幾種主流的液體密度檢測方法、原理和性質進行介紹，并對這些測量方法的典型產品進行介紹，對未來的發展趨勢進行展望。

2 傳統離線密度測量

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的恒溫，瓶內液體應避免產生氣泡[4]。用天平稱量裝滿純水的密度瓶和待測液體。純水的密度和質量通常是已知的，因此可以確定密度瓶的體積，根據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備種類和規格繁多，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，其常見的規格為10-100ml，但是不能用于在線檢測的工業生產中。

2.2 液體比重秤

液體比重秤采用阿基米德原理，其結合了現代電子技術，該系統由立柱、橫梁和懸掛構成。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組裝和調整。它具有較差的可重復性，并且用戶需要認真維護設備。

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。浮子的上下移動由浮力的變化改變，產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，也可以通過轉換裝置轉換成電信號，由上位機顯示和控制。測量結果需經過溫度的校正及補償[6]。

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

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，通常在液體內以縱波傳播。傳播速度、頻率、相位和衰減都受介質特性的影響。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測被測液體[7]。

我國超聲波密度計發展起步較晚，對環境要求高、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、響應速度快等特點的超聲波密度計，工業生產中已經成功應用。例如德國SensoTech公司生產的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，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準物體在不同被測液體中的不同浮力，導致連接到標準物體的電容器的兩個極板之間的距離發生變化，從而產生電容改變[8]。由阿基米德定律得知，體積為V、質量為M 的浮子懸掛到彈性導軌的掛鉤上。彈性導軌在重力的影響下在彈性范圍內初始向下形變。浮子將置于被測液體，浮子和彈性導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。將電容器與彈性導軌剛性連接到一起，彈性導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點： 測量過程中不接觸被測液體，實現了非接觸式測量；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；穩定時間較長；分辨力不高。假設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，質量吸收系數為n，有關系式：

佘新平利用γ射線式密度傳感器實現了石油勘探中的應用，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射線穿過被測物質后，其強度隨密度的變化而相應變化的規律來測定密度、濃度。其測量精度可達到±0.001g/cm3。廣泛地應用于石油開采、化工、煉油、冶金等多種行業。

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，是一個以固有頻率振蕩的單自由度系統，單系統固有頻率只同系統中等效彈性系數ke和等效質量me有關。其公式為：

諧振元件和被測液體相互接觸，使得系統總質量發生變化，從而導致系統的振動頻率變化。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構示意圖

由振動方程推導，音叉體的自然頻率f 可由式(5)表示。

式中k是比例系數。從上式(5)得出，自然頻率f與其質量ms和被測液體質量mf的總質量成反比。當流經音叉體的被測液體密度改變時，總質量的改變導致音叉的固有頻率產生改變，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℃，受環境影響小。它可以對管道、旁路和儲罐進行連續實時測量，采用獨特的在線設計，最長可達13 英尺。 國內恩普儀器有限公司生產的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。

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部液體密度檢測。音叉傳感器具有測量精度高、實時在線、可實現數字連續測量等特點。該傳感器音叉材質高，結構復雜，加工難度大，音叉的形狀和尺寸對效果影響大。

(2) 科氏質量流量計

科氏流量計是非常有前景的直接質量流量計。學者們發現，科氏質量流量計也可以用來測量密度。根據檢測管的形狀，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的參考系中產生科里奧利加速度。通過固定液體流過的特定管段的兩端而形成類似于U 形管的結構。受迫振動以便管段中的每個微元件部分產生科里奧利加速度。管內部的液體是由于科里奧利加速度，產生作用在管壁上的科里奧利反作用力，其大小與質量流量成正比。通過計算質量流量從而解算出液體當前的密度。

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

圖5 Promass I100科氏質量流量計

科里奧利流量計具有以下優點：密度測量過程可以阻斷液體溫度、壓力、粘度等參數對結果的干擾，計算體積流量等指標。旋轉參考系的引入造成流量計的制造工藝較復雜，動態使用效果不良，不能廣泛投入到工業生產。

(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放大器組成，其敏感元件為振動長管，通過構建驅動電路部分，使振管在平面振蕩，液體密度計算為測量得到的管內液體的密度的平均值。其工作原理是當振動管中有待測液體時，待測液體同振動管共同振動，系統的固有頻率由于振動過程的總質量改變而改變。通過標定和校準，可以將諧振頻率轉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 振動管式密度計結構示意圖

英國的Solartron 公司生產的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、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，能夠實現連續的在線密度檢測，此外可以在過程條件下進行測量；廈門雄發儀器有限公司生產的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在線測量[13]。測量精度可達0.05%以上。輸出易于以數字方式傳輸。振動管密度計具有穩定性好、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 結束語

密度測量在多個行業領域都有著關鍵的作用，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注。20世紀60年代以來，工業現代化快速發展，使得對液體密度在線監測的需求日益迫切，以此減小原材料的大量損耗，提高生產的質量。密度的測量方法通常由靜態和動態構成，靜態液體密度檢測包括稱重法、浮力法等傳統的測量方法，不適用于目前工業生產的需求，不能實時地檢測密度值，需要在實驗室中實現測量；動態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，其測量的結果準確、可靠，反應時間短，能夠有效的指導工業生產，提高生產效率，適用于多數工業生產的在線測量。

動態密度測量方法中，超聲波密度測量具有測量精度高、響應快、無放射性等特點，但其受雜質干擾較大，影響密度計的測量精度和穩定性，介質粘度、電磁干擾和寄生電容需要在設計的時候多加考慮；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，通常用于工業生產中；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式浮子密度測量法精度低的問題，但是其動態測量精度較低，且反應時間長；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、穩定性好等諸多優良性能。因此，基于諧振原理的密度測量技術得到迅速發展，目前成為密度測量的主流方式。未來，面對未知的發展方向，密度測量將繼續蓬勃發展。它與經濟、技術、政治等人類需求息息相關，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。