一种液体密度、高度测量仪设计

吴锦麟，李亚军

（顺德职业技术学院，广东佛山，528300）

0 引言

密度是物质的重要特性和指标之一，每种物质都有一定的密度，把要测得物质的密度和标准密度表中各种物质的密度进行比较，就可以鉴别出物体的类型和成分。另外，液体密度在国民生产、交通运输、化学制品研究等领域中发挥着不可或缺的作用，液体密度的准确性至关重要，因此需要对容器内的介质进行液位测量和种类判别，一般来讲，液体的密度可以通过测量液体的质量和体积间接得到，但是实际生产或者运输领域中，储存液体的容器体积的不规则或者质量无法直接得到，因此可以借用先进的测量控制技术和方法设计出简易、便携、高精度液体测量仪,对工农业生产、医疗制药、人们的日常生活都具有重大的研究意义和应用价值。

另外，随着测量技术数字化、自动化、网络化,人们对测量结果的要求需求快速、实时，这在一定程度上对密度的在线测量要求越来越迫切，对于液体密度的测量也由传统的测量要求向高精度、自动化、动态测量、实时测量、数字化、可视化、可适应，高温高压等特殊环境的方向发展。在工业生产中则更多使用具有快速、直接、便于计算机实时监控优点的间接测量方法。

目前市场上出现了很多利用各种传感器来测量液体密度的高端测量仪：如基于光纤CCD传感器的浮力式液体密度测量仪，基于霍尔效应的霍尔传感器液体密度测量仪，基于放射性同位素的射线式液体密度传感器测量仪，基于磁致伸缩效应的液体密度传感器测量仪，谐振式密度测量传感器测量仪、电容式液体密度传感器测量仪、超声波液体密度传感器测量仪等。

目前,振动式密度传感器在精度上要求较高的液体密度动态测量中用得较多；射线式密度传感器由于对人体具有潜在的危害作用,现在已经基本不用;超声波式密度传感器可以实现非接触高精度密度动态测量,是较有前途的一种传感器。

超声波是频率高于20kHz的一种机械波,其在液体介质中只能以纵波的形式传播，其传播的速度、频率、相位及衰减度等均会受到介质性质的影响。因此,可以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的密度。同时，在上面所述测量仪器所采用的传感器中，超声波式密度传感器可以实现非接触测量，响应速度快,测量精度高，无放射性,对人体无害，没有运动部件,测量稳定性好，是较有前途的一种传感器。但超声波式密度传感器也有自身的缺点:如液体介质中的杂质气泡等可引起超声波信号的严重衰减,使测量有时不稳定，因此对粘性介质,精密测量时必须考虑介质粘度的影响。

到目前为止，市场上出现了很多液体密度测量的方法，其中最简单的是通过将器具中的溶液倒入一个有刻度的容器中，但容器的形状与大小须满足与该器具一样才能保证测量液体密度的可靠性，然后通过观察刻度，来测量容器中的溶液的高度，进而确定器具中的溶液的高度[1]；另外为了测量密度，则又需要测量体积与质量最后才能测出器具中的溶液的密度，进而使得工序复杂，并且在进行转移的过程中，容易出现溶液滴漏，进而导致测试误差较大。文献[2]利用纯水作为比较液体，用两个玻璃管与注射器内的气体相通，另一端分别插入水和待测密度的液体中，拉动注射器的活塞，使注射器的压强减小，使液体和水同时在玻璃管中升高，液体上升稳定后，利用封闭在注射器内气体压强与外界大气压强的关系，即可方便测出液体密度．但是该文献来源是从实验出发，液体的高度需要工作人员目测，存在很大误差，操作过程相对复杂.

文献[3]给出了常见的液体密度测量方法，如:价格低廉、操作方便的密度瓶法,精度相对比较高的液体比重天平法,测量分析液体密度方面使用广泛玻璃浮计法,测量范围较宽、精度高的称重式密度仪法，方便携带、重量轻体积小、清洗方便的振动管式密度仪法以及广泛应用于石油勘测和管道运输领域的音叉式密度计法等。最近文献[7]研制了一种基于直接驱动式振动管原理的密度测量装置，用实验验证了装置的精度满足密度测量需求。

文献[4]、[6]采用超声波测液体密度的方法，借助相对稳态幅度测量声压反射系数得到液体密度，最后用实验验证了方法的正确性,简化了原来的半波层反射模型.和理论推导过程，降低了测量上的精度要求。

1 本测量仪的原理与设计

图1 系统结构图

在以上分析思路的基础上，本密度测量仪所设计的步骤分为以下五个部分：

(1)气压信号的采集处理部分：主要是将气压传感器采集的模拟信号转输入到单片机，转换成容易处理的数字信号。

(2)OLED的显示部分：单片机把各种数据处理后的液体密度具体数值以及可能的具体液体名称显示在OLED屏幕上。

(3)键盘输入部分：该部分包括复位按键和测试按键，复位按键把测量程序恢复到起始状态，测量按键主要启动测量程序。

(4)LED指示部分：这部分主要主要显示测量仪器是否能够正常工作。

(5)串口通信部分：Modbus协议目前 是工业领域全球最流行的协议，此协议支持传统的RS-232、 RS-422、RS-485和TCP以太网设备。许多工业设备，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。通过这种协议，不同厂商生产的控制 设备可以连成工业网络，进行数据传递和集中监控。

本检测仪的核心器件是三个气压传感器和STM32单片机，传感器不漏气地封闭在塑料管管口上，保证准确测量出装有一定液体的气压强度，单片机负责采集和处理数据，从理想气体状态方程出发，根据大气压强公式p=ρgh，能够容易且精确地测量出该器具中的溶液的密度以及高度。

图2是此液体检测仪核心控制板，主控芯片STM32F103 RCT6是ST意法半导体旗下的一款常用的32位ARM增强型系列微控制器，其内核是Cortex-M3，适用于电力电子系统、电机驱动、 医疗手持设备、PC游戏外设、GPS平台、 LED条屏控制等方面的应用，器件采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72MHz，可以跟电脑通信， 两个按键一个按键是复位键，另外一个按键为测试键，单片机通过数据采集口把测得数据计算处理后送给OLED显示，一种方法是测得液体密度的数值，然后把数值跟已经保存的各种液体数据进行比较，判断出具体的一种或者几种液体，让OLED显示出来， 或者直接把获得的数值即液体的密度显示出来，从而根据数值和从业者经验，可以直接判断出液体为何种物质，图3是封装有大气压传感器的塑胶管 侧面图，最短的塑胶管安装在电路板下面，用来实时测量大气压强。

图2 核心控制板

图3 测量仪结构侧面图

图4是传感器接口和各种显示电路，按键用来启动测试，测试过程用LED1显示

图4 接口、按键指示电路

1.1 液体密度的测量

如图3所示，测量时，保证两个玻璃管里面都有液体，根据大气压强公式：

其中p1、p2分别为左右两个玻璃管对应的长玻璃管和短玻璃管气压传感器测量的压强数值，h1、h2分别为左右两个玻璃管相对于容器底部的高度，ρ为待测液体密度，本设计h1、h2的差值固定且已知，g是重力加速度。由式子(1)-(2)得到：

故根据上面的公式可以得到液体的密度的推导过程。

1.2 液体高度的测量

此时利用第三个大气压强传感器可以测量到大气压强为p3，利用式子（1）可以得到

这里H即为要测量的玻璃管里面液体的高度，ρ为已经测量出的液体密度，因此根据式子(4)很容易求出玻璃管内液体的高度。

上述本实用新型提供的一种测量仪，通过设置显示屏、主控集成电路板、第一承载座、支撑件、第二承载座、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一插管、第二插管和第三插管；其中，所述显示屏与所述主控集成电路板电连接，所述主控集成电路板设置在所述第一承载座上，所述第二承载座通过所述支撑件与所述第一承载座连接；所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述第三压力传感器均与所述主控集成电路板电连接；所述第一压力传感器设于所述第一插管的固定端，所述第一插管的固定端穿过所述第二承载座与所述第一承载座连接； 所述第二压力传感器设于所述第二插管的固定端，所述第二插管的固定端穿过所述第二承载座与所述第一承载座连接；所述第三压力传感器设于所述第三插管的固定端，所述第三插管的固定端穿过所述第二承载座与所述第一承载座连接；其中，所述第一插管、所述第二插管和所述第三插管的长度各不相等。从而能够通过将第一插管、第二插管以及第三插管插入盛装有溶液的器具中，进而通过第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器分别测出第一插管、所述第二插管和所述第三插管中的压力，进而根据P=ρ*g*h的计算公式能够简单且精确测地量出该器具中的溶液的密度以及高度。

2 实验结果验证

本实验采样了水和酒精进行了实验，分别测得水和酒精的实际密度为995kg/m3和786kg/m³。根据液体表可以正确初步判断所测物质为何种液体，其中测得水的误差比较小，酒精密度误差相对于水要大些，验证了此液体测试仪的可靠性。

3 结论

本液体密度和高度测量仪通过三个大气压传感器采集一定高度大气和液体的压强，经过32位单片机处理后可方便快捷测量出液体密度和高度，可显示出液体的密度并快速判断为某种液体， 这种方法还可以应用到测量大型水塔里面水位高度，封闭液体的密度、以及河流中水位的高度，并且随着物联网以及云计算技术的进一步发展以及全面应用，此测量仪的设计可以加上常见无线传输模块(如ESP8266模块)，利用TCP透传的方式远程发送数据至ONENET智能云控制台，可实现远距离采集到数据，实时查看数值结果，具有很广泛的应用价值。另外，本液体密度测量仪结构简单，方便携带与测量，设计成本低，但是相对于利用超声波传感器测量液体密度的设备，此测量仪也有其不足等地方，如在测量时要把液体装入此测量仪的插管中，或者把塑料管插入被测液体中，可能造成对被测液体的污染。