一種液體密度、高度測(cè)量儀設(shè)計(jì)

吳錦麟，李亞軍

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山，528300）

0 引言

密度是物質(zhì)的重要特性和指標(biāo)之一，每種物質(zhì)都有一定的密度，把要測(cè)得物質(zhì)的密度和標(biāo)準(zhǔn)密度表中各種物質(zhì)的密度進(jìn)行比較，就可以鑒別出物體的類型和成分。另外，液體密度在國民生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、化學(xué)制品研究等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用，液體密度的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此需要對(duì)容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位測(cè)量和種類判別，一般來講，液體的密度可以通過測(cè)量液體的質(zhì)量和體積間接得到，但是實(shí)際生產(chǎn)或者運(yùn)輸領(lǐng)域中，儲(chǔ)存液體的容器體積的不規(guī)則或者質(zhì)量無法直接得到，因此可以借用先進(jìn)的測(cè)量控制技術(shù)和方法設(shè)計(jì)出簡易、便攜、高精度液體測(cè)量儀,對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療制藥、人們的日常生活都具有重大的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

另外，隨著測(cè)量技術(shù)數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化,人們對(duì)測(cè)量結(jié)果的要求需求快速、實(shí)時(shí)，這在一定程度上對(duì)密度的在線測(cè)量要求越來越迫切，對(duì)于液體密度的測(cè)量也由傳統(tǒng)的測(cè)量要求向高精度、自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)字化、可視化、可適應(yīng)，高溫高壓等特殊環(huán)境的方向發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)中則更多使用具有快速、直接、便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控優(yōu)點(diǎn)的間接測(cè)量方法。

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多利用各種傳感器來測(cè)量液體密度的高端測(cè)量儀：如基于光纖CCD傳感器的浮力式液體密度測(cè)量儀，基于霍爾效應(yīng)的霍爾傳感器液體密度測(cè)量儀，基于放射性同位素的射線式液體密度傳感器測(cè)量儀，基于磁致伸縮效應(yīng)的液體密度傳感器測(cè)量儀，諧振式密度測(cè)量傳感器測(cè)量儀、電容式液體密度傳感器測(cè)量儀、超聲波液體密度傳感器測(cè)量儀等。

目前,振動(dòng)式密度傳感器在精度上要求較高的液體密度動(dòng)態(tài)測(cè)量中用得較多；射線式密度傳感器由于對(duì)人體具有潛在的危害作用,現(xiàn)在已經(jīng)基本不用;超聲波式密度傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸高精度密度動(dòng)態(tài)測(cè)量,是較有前途的一種傳感器。

超聲波是頻率高于20kHz的一種機(jī)械波,其在液體介質(zhì)中只能以縱波的形式傳播，其傳播的速度、頻率、相位及衰減度等均會(huì)受到介質(zhì)性質(zhì)的影響。因此,可以利用液體密度和超聲波的某些傳播性質(zhì)之間的關(guān)系來測(cè)量液體的密度。同時(shí)，在上面所述測(cè)量儀器所采用的傳感器中，超聲波式密度傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，響應(yīng)速度快,測(cè)量精度高，無放射性,對(duì)人體無害，沒有運(yùn)動(dòng)部件,測(cè)量穩(wěn)定性好，是較有前途的一種傳感器。但超聲波式密度傳感器也有自身的缺點(diǎn):如液體介質(zhì)中的雜質(zhì)氣泡等可引起超聲波信號(hào)的嚴(yán)重衰減,使測(cè)量有時(shí)不穩(wěn)定，因此對(duì)粘性介質(zhì),精密測(cè)量時(shí)必須考慮介質(zhì)粘度的影響。

到目前為止，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多液體密度測(cè)量的方法，其中最簡單的是通過將器具中的溶液倒入一個(gè)有刻度的容器中，但容器的形狀與大小須滿足與該器具一樣才能保證測(cè)量液體密度的可靠性，然后通過觀察刻度，來測(cè)量容器中的溶液的高度，進(jìn)而確定器具中的溶液的高度[1]；另外為了測(cè)量密度，則又需要測(cè)量體積與質(zhì)量最后才能測(cè)出器具中的溶液的密度，進(jìn)而使得工序復(fù)雜，并且在進(jìn)行轉(zhuǎn)移的過程中，容易出現(xiàn)溶液滴漏，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試誤差較大。文獻(xiàn)[2]利用純水作為比較液體，用兩個(gè)玻璃管與注射器內(nèi)的氣體相通，另一端分別插入水和待測(cè)密度的液體中，拉動(dòng)注射器的活塞，使注射器的壓強(qiáng)減小，使液體和水同時(shí)在玻璃管中升高，液體上升穩(wěn)定后，利用封閉在注射器內(nèi)氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)的關(guān)系，即可方便測(cè)出液體密度．但是該文獻(xiàn)來源是從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，液體的高度需要工作人員目測(cè)，存在很大誤差，操作過程相對(duì)復(fù)雜.

文獻(xiàn)[3]給出了常見的液體密度測(cè)量方法，如:價(jià)格低廉、操作方便的密度瓶法,精度相對(duì)比較高的液體比重天平法,測(cè)量分析液體密度方面使用廣泛玻璃浮計(jì)法,測(cè)量范圍較寬、精度高的稱重式密度儀法，方便攜帶、重量輕體積小、清洗方便的振動(dòng)管式密度儀法以及廣泛應(yīng)用于石油勘測(cè)和管道運(yùn)輸領(lǐng)域的音叉式密度計(jì)法等。最近文獻(xiàn)[7]研制了一種基于直接驅(qū)動(dòng)式振動(dòng)管原理的密度測(cè)量裝置，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的精度滿足密度測(cè)量需求。

文獻(xiàn)[4]、[6]采用超聲波測(cè)液體密度的方法，借助相對(duì)穩(wěn)態(tài)幅度測(cè)量聲壓反射系數(shù)得到液體密度，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性,簡化了原來的半波層反射模型.和理論推導(dǎo)過程，降低了測(cè)量上的精度要求。

1 本測(cè)量儀的原理與設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在以上分析思路的基礎(chǔ)上，本密度測(cè)量儀所設(shè)計(jì)的步驟分為以下五個(gè)部分：

(1)氣壓信號(hào)的采集處理部分：主要是將氣壓傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)輸入到單片機(jī)，轉(zhuǎn)換成容易處理的數(shù)字信號(hào)。

(2)OLED的顯示部分：單片機(jī)把各種數(shù)據(jù)處理后的液體密度具體數(shù)值以及可能的具體液體名稱顯示在OLED屏幕上。

(3)鍵盤輸入部分：該部分包括復(fù)位按鍵和測(cè)試按鍵，復(fù)位按鍵把測(cè)量程序恢復(fù)到起始狀態(tài)，測(cè)量按鍵主要啟動(dòng)測(cè)量程序。

(4)LED指示部分：這部分主要主要顯示測(cè)量儀器是否能夠正常工作。

(5)串口通信部分：Modbus協(xié)議目前 是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、 RS-422、RS-485和TCP以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。通過這種協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制 設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和集中監(jiān)控。

本檢測(cè)儀的核心器件是三個(gè)氣壓傳感器和STM32單片機(jī)，傳感器不漏氣地封閉在塑料管管口上，保證準(zhǔn)確測(cè)量出裝有一定液體的氣壓強(qiáng)度，單片機(jī)負(fù)責(zé)采集和處理數(shù)據(jù)，從理想氣體狀態(tài)方程出發(fā)，根據(jù)大氣壓強(qiáng)公式p=ρgh，能夠容易且精確地測(cè)量出該器具中的溶液的密度以及高度。

圖2是此液體檢測(cè)儀核心控制板，主控芯片STM32F103 RCT6是ST意法半導(dǎo)體旗下的一款常用的32位ARM增強(qiáng)型系列微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3，適用于電力電子系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、 醫(yī)療手持設(shè)備、PC游戲外設(shè)、GPS平臺(tái)、 LED條屏控制等方面的應(yīng)用，器件采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72MHz，可以跟電腦通信， 兩個(gè)按鍵一個(gè)按鍵是復(fù)位鍵，另外一個(gè)按鍵為測(cè)試鍵，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)采集口把測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算處理后送給OLED顯示，一種方法是測(cè)得液體密度的數(shù)值，然后把數(shù)值跟已經(jīng)保存的各種液體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷出具體的一種或者幾種液體，讓OLED顯示出來， 或者直接把獲得的數(shù)值即液體的密度顯示出來，從而根據(jù)數(shù)值和從業(yè)者經(jīng)驗(yàn)，可以直接判斷出液體為何種物質(zhì)，圖3是封裝有大氣壓傳感器的塑膠管 側(cè)面圖，最短的塑膠管安裝在電路板下面，用來實(shí)時(shí)測(cè)量大氣壓強(qiáng)。

圖2 核心控制板

圖3 測(cè)量儀結(jié)構(gòu)側(cè)面圖

圖4是傳感器接口和各種顯示電路，按鍵用來啟動(dòng)測(cè)試，測(cè)試過程用LED1顯示

圖4 接口、按鍵指示電路

1.1 液體密度的測(cè)量

如圖3所示，測(cè)量時(shí)，保證兩個(gè)玻璃管里面都有液體，根據(jù)大氣壓強(qiáng)公式：

其中p1、p2分別為左右兩個(gè)玻璃管對(duì)應(yīng)的長玻璃管和短玻璃管氣壓傳感器測(cè)量的壓強(qiáng)數(shù)值，h1、h2分別為左右兩個(gè)玻璃管相對(duì)于容器底部的高度，ρ為待測(cè)液體密度，本設(shè)計(jì)h1、h2的差值固定且已知，g是重力加速度。由式子(1)-(2)得到：

故根據(jù)上面的公式可以得到液體的密度的推導(dǎo)過程。

1.2 液體高度的測(cè)量

此時(shí)利用第三個(gè)大氣壓強(qiáng)傳感器可以測(cè)量到大氣壓強(qiáng)為p3，利用式子（1）可以得到

這里H即為要測(cè)量的玻璃管里面液體的高度，ρ為已經(jīng)測(cè)量出的液體密度，因此根據(jù)式子(4)很容易求出玻璃管內(nèi)液體的高度。

上述本實(shí)用新型提供的一種測(cè)量儀，通過設(shè)置顯示屏、主控集成電路板、第一承載座、支撐件、第二承載座、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第一插管、第二插管和第三插管；其中，所述顯示屏與所述主控集成電路板電連接，所述主控集成電路板設(shè)置在所述第一承載座上，所述第二承載座通過所述支撐件與所述第一承載座連接；所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器和所述第三壓力傳感器均與所述主控集成電路板電連接；所述第一壓力傳感器設(shè)于所述第一插管的固定端，所述第一插管的固定端穿過所述第二承載座與所述第一承載座連接； 所述第二壓力傳感器設(shè)于所述第二插管的固定端，所述第二插管的固定端穿過所述第二承載座與所述第一承載座連接；所述第三壓力傳感器設(shè)于所述第三插管的固定端，所述第三插管的固定端穿過所述第二承載座與所述第一承載座連接；其中，所述第一插管、所述第二插管和所述第三插管的長度各不相等。從而能夠通過將第一插管、第二插管以及第三插管插入盛裝有溶液的器具中，進(jìn)而通過第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器分別測(cè)出第一插管、所述第二插管和所述第三插管中的壓力，進(jìn)而根據(jù)P=ρ*g*h的計(jì)算公式能夠簡單且精確測(cè)地量出該器具中的溶液的密度以及高度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)采樣了水和酒精進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)得水和酒精的實(shí)際密度為995kg/m3和786kg/m3。根據(jù)液體表可以正確初步判斷所測(cè)物質(zhì)為何種液體，其中測(cè)得水的誤差比較小，酒精密度誤差相對(duì)于水要大些，驗(yàn)證了此液體測(cè)試儀的可靠性。

3 結(jié)論

本液體密度和高度測(cè)量儀通過三個(gè)大氣壓傳感器采集一定高度大氣和液體的壓強(qiáng)，經(jīng)過32位單片機(jī)處理后可方便快捷測(cè)量出液體密度和高度，可顯示出液體的密度并快速判斷為某種液體， 這種方法還可以應(yīng)用到測(cè)量大型水塔里面水位高度，封閉液體的密度、以及河流中水位的高度，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及全面應(yīng)用，此測(cè)量儀的設(shè)計(jì)可以加上常見無線傳輸模塊(如ESP8266模塊)，利用TCP透傳的方式遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)至ONENET智能云控制臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離采集到數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)查看數(shù)值結(jié)果，具有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值。另外，本液體密度測(cè)量儀結(jié)構(gòu)簡單，方便攜帶與測(cè)量，設(shè)計(jì)成本低，但是相對(duì)于利用超聲波傳感器測(cè)量液體密度的設(shè)備，此測(cè)量儀也有其不足等地方，如在測(cè)量時(shí)要把液體裝入此測(cè)量儀的插管中，或者把塑料管插入被測(cè)液體中，可能造成對(duì)被測(cè)液體的污染。