一种高精度密度传感器的研究

第２０卷第９期２００７年９月

嗍姒胁｛ＡＬ０Ｆ觥ＡＮＤＡｃ：删

传感技术学报

ｏｎ

ｖ０１．２０

Ｎｏ．９

ｓｅｐ．２００７

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｔｈｅ（汐ｌｉｎｄｅｒ

ＳｈｏｒｔＳｈｅｌｌＲｅｓｏｎａｔｏｒ

Ｄｅ璐ｉｔ咖ｅｔｅｒ

Ｒ州‰馏。，Ｚ黝ＮＧＪ访Ｚ缸增，形ＷＧ‰，Ｓ研黝Ｈｃ毗，ａ砸’ＮＷ砌ｇ，ＲＥＮ，ｌ泞厂啦，Ｍ幻ＷＺ

，Ｓ缸捃五掣枷口ｍ细了ｏ，Ｐ舰ｉｓ￡明Ｍ∞蹦，｛赡ｎ曲加．［０甜口积ｈ站ｎ肼竹堪５，僦如眇ｏ，Ｐ懈妇ｆ０啊ｈ靠ｒ蝴删，４村、

＼（哆鼢以耐Ｍｌ如西孵ｆ船硎ｎｇ，１ｋ，巧伽Ｌｈｉｚ梆ｆ桫，１ｋ，巧妇３０００７２，Ｇｈｉ嬲

Ａｂｓｔ瑚吣ｔ：ＴｈｅＣｙｌｉｎＩｄｅｒｓｈｏｒｔｓｈｅｌｌｒｅｓｏｍｔｉｎｇ

ｎｏ

，

ｄｅｎｓｉｔ帆ｅｔｅｒ

ｉｓ

ａｄ啪ｔａｇｅｏｕｓｉｎ

ｎｌａｎｙ

ａｓｐｅｃｔｓ，ｆ６ｒｅｘａｍｐｌｅ，

ａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ

ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ

ｏｎ

ｔｈｅｆｕｅｌｆｎａｋｅｓｉｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｏｎｔｉｎｏｕｓｉｎ＿１ｉｎｅｕｓｅ，ａｎｄｄｉｇｉｔａｌ

ｔｏ

ｏｕｔｐｕｔ

Ｉｎａｋｅｉｔｈｉｇｈ

ｉｒ胁ｕｎｅ

ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ，ｖｅｒｙｓｔａｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｐｒｅｃｉｓｅ．Ｂａｓｅｄ

ａ

ｏｎ

ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｏｓｉｔｉｖｅ

ｃｏｎ－

ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓｈｅｌｌｒｅｓｏｎａｔｉｎｇｄｅｎｓｉｔｏ．ｍｅｔｅｒｉｓ

ｓｉｓｔｉｎｇｏｆ

ａ

ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｖｉｂｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙ

ｃｙｌｉｎｄｅｒｓｈｅｌｌｒｅＳｏｌｌａｔｏｒ，ｅｘｃｉｔｉｎｇｃｏｉｌ，ｐｉｃｋ．ｕｐ

ｃｏｉｌ，ａｎｄ锄ｐｌｉｆｉｅｒ

ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒ

ｃｏｖｅｒｓ

ｔｈｅ

ｍｉｎ

ｒｅｓｅａｒｃｈ

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｂｙｍｅａｎｓ０ｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓｈｅＵｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎＳｔａｔｉｃＡｎａｌｙ－

ｒｅｓｏｎａｔｏｒ

ｓｉｓ，ＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓ．ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓｈｅＵ

ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄＩＩｌａｎｕｆ｛ｌｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，Ｔｈｅ

ｃａｎ

ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｉｔ

ｗｏｒｋｗｅｎｉｎｔｈｅ１ａｂ．

Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒ、张ｒｄ．Ｔｈｅｉｎｎｕｅｎｔｉａｌｆａｃｔｏｒｓ

ｕｎｃｅｎａｉｎｔｙｉｎ

ｏｎ

ｔ咖ｐｅｒａｔｕｒｅ

ａｔ

ａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎ“ｎｅｉｓ

ａｒｅ

ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓｈｅＵｒｅｓｏｎａｔｏｒ

ａＩｌａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ

ｍｅａｓｕｒ咖ｅｎｔ

ｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ

２０℃ｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅＸｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｌｉａｂｌｅ

ａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｔｒａｎｓｄｕｃｅｒａｔｔａｉｎｓＯ．４ｋｇ／ｒＩｌ３

ａｃｃｕｒａｃｙ．

１【ｅｙ

ｗ删ｓ：ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆ

ｆｕｅｌｄｅｎｓｉｔｙ；ｃｙｌｉｎｄｅｒｓｈｏｒｔｓｈｅｌｌｒｅｓｏｍｔｉｎｇｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ

ＥＥＡＯＣ：７２３０

一种高精度密度传感器的研究

樊玉铭’，张嘉亮，王

｛

芸，隋修武，陈卫东，任俊峰，姚

伟

（天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室，天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２）

摘要：圆短筒谐振式密度传感器的主要优点是适合于在线连续测量，测量精度高，易实现数字化传输，抗干扰能力强，稳

定性和可靠性好．圆短筒谐振式密度传感器以圆筒谐振子为核心，基于正反馈原理，由激振元件、拾振元件、谐振子和放大电路组成高品质的闭环谐振系统．我们采用有限元法分析方法，研究计算了圆筒谐振子静力学特性和模态响应等动力学特性．设计了圆筒谐振子闭环振荡电路，单片机信号处理系统．对密度传感器进行标定和温度补偿．分析了影响测量结果的各个因素，给出了２０℃时传感器测量结果的不确定度．通过实验可靠性高又实用的圆筒谐振燃油密度传感器测量精度达到

Ｏ．４

ｋｇ／玑

关键词：燃油密度测量；短筒谐振式传感器；有限元法；温度补偿；不确定度中图分类号：’Ｉ卫．２１２

文献标识码：Ａ

文章编号：１∞｝１６９９（２∞７）０９．２∞１．－嘶

发达国家研制生产了多种形式的谐振式密度测量传感器如：英国ｓｏｌａｒｔｒｏｎＭｏｂｒｅｙ公司系列液体密度计；奥地利ＡＮＴＯＮＰＡＡＲ公司的ＤＭＡ型系列密度计；美国ｃａｌｉｂｒｏｎ公司、Ｂａｒｔｏｎ公司等密度计产品．

在石油资源日益紧缺的今天，密度测量得到了广泛的应用．根据密度计的工作原理有浮子式、天平式、放射性式、超声波式、振动式，光学式密度计等多种［１。３］．谐振式密度测量主要特点是测量精度高、使用范围广、可连续测量、自动化水平高．目前国际上

收稿日期：２００７－０１－０５

修改日期：２００７—０４．２３

万方数据　

２００２

传感技术学报

２００７年

２０世纪７０年代，我国也生产了ＳＭ型单管振动式液体密度计，ＮＭＺ－２０型单管振动式气体密度计．进入９０年代，我国很多科研院所相继研制了单Ｕ型管式、双Ｕ型管式，单直管式、双直管式系列谐振子型密度计［堋．但是目前对短管振动式密度测量传感器尚缺乏研究．

１短管振动式密度传感器的工作原理

１．１短管振动式密度传感器的工作原理

对任意圆筒谐振子，当充满被测液体时，谐振子固有频率将随之发生变化，有

扣ｋ、Ｊ备肛ｋ＾ｌ素Ｉ＿

式中：＾，丘一分别为管内为真空和充满液体时振动系统的固有频率；忌一由管振动模态决定的常数；

卜管的刚度；Ｍ－－振动系统质量；△ＭＬ管内液体

的质量．由此，得到甓＝１＋瓮净

设：Ｄ，ｄ，Ｌ一分别为圆筒谐振子外直径、内直

径和长度；似，．旷分别为圆筒谐振子材料的密度和

被测液体的密度，有

其中，Ｌ、ｔ分别为谐振子在真空中和充满液体时

鑫）’因此有ＩＤ一丢（譬＿１）ＰＡ（曩－１）．隽２

１＋讧彘或Ｅ＝霹（１＋

的振动周期．当薄壁短筒壁厚．｝ｌ很薄时，振动幅度很小，有：％一象髻＝爰栋≈爰鲁去

却

ａ配却

２Ｌ（Ｄ２一ｄ２）ｍ～２Ｌ＾阻

由此可见，通过改变谐振子的结构，被测液体密度的

灵敏度可以提高；选择低的谐振子密度ｍ材料，较高的半径壁厚比ｄ肛，并且选择较低的固有频率＾，

可以提高周期对密度的灵敏度．当圆筒谐振子的参数确定之后，ｐ一专（长一

１）ｐＡ和＾为常数．有

Ｐ＝印（售一１）＝ｐ（簧一１）＝惫ｏ＋愚２罡

其中：ｋ＜ｏ，五２＞ｏ．应用中常用下式：ｐ＝忌。＋忌１丁＋愚２Ｐ

式中：忌。、忌－、惫ｚ为传感器的特征系数，通过标定实验确定．

采用谐振传感器进行密度测量时，其自身固有的振动频率与被测量液体的密度有着严格的对应关系．根据所采用传感器谐振子的不同形状，可以分为

万　

方数据部音叉式、振弦式、薄板式、Ｕ型管式、长管式、短管式等不同形式．由于短管式谐振子具有体积小巧、结构紧凑、抗震能力强．

１．２短管振动式密度传感器的振动特性分析

短管振动式密度传感器的核心是薄壁管的谐振子．采用有限元ＡＮＳＹＳｌｏ．０分析软件，运用有限元子空间法对直径为２５ｍｍ，长度为８０ｍｍ，壁厚０．２ｍｍ的薄壁管谐振子进行了模态提取．借助子空间迭代技术和广义Ｊａｃｏｂｉ迭代算法，计算谐振子结构参数、材料特性和约束条件的影响，计算薄壁管谐振子的固有频率，并且可以绘制其振型分布图‘川．应用ＡＮＳＹＳ的Ａｎｉｍａｔｅ功能，进行谐振子振动模态的动态演示，可以看到不同频率下谐振子的振动模态．其中频率为４９０４．８

Ｈｚ，它所对应的振型分布，

见图１所示．

图１谐振子所对应的振动模态

通过图１，可以确认谐振子在固有频率点

４９０４．８

Ｈｚ的对应振型是ｍ＝１，以一２的振型．通

过对不同频率的振型进行演示，还找到，ｚ＝２，ｍ＝２的振动模态．通过比较，可以得到薄壁管谐振子在轴向半波数ｍ＝１、径向整波数竹＝２时，振型的固有频率＾最好．通过谐振子振动模态的径向、周向、轴向等约束条件对其＾的计算，表明谐振子厶受约束条件影响极大．设计采用了双端固定约束条件的振动模态．所设计的谐振子材料为恒弹性合金３Ｊ５３．计算证明，其＾随材料弹性模量的增加近似线性增加；随材料的密度增加，而近似反比减小．当泊松比ｐ为０．３时，＾最低，户远离中心值时，＾增大．谐振子结构参数随长度、外半径的增加，＾将减小；随壁厚的增加而增加．谐振子采用单激励单拾振

方式，在激振位置点施加静态点压力、面压力时，均

不影响．厂。变化．

当对谐振子施加正弦激振力时，频响特性曲线

半功率点带宽幽远小于ｏ．１

Ｈｚ，品质因数Ｑ为

４９

０４８，选频特性很好．计算谐振子瞬态响应得到谐

振子各点的位移响应为同频率正弦信号，最大幅度约８肛ｍ，最大应力为２。５ＭＰ乱选用单点响应谱计算在一定频率范围的振动加速度，获得相应谐振子

各点总位移谱如图２所示．各点相对于基点的最大

第９期樊玉铭，张嘉亮等：一种高精度密度传感器的研究

２００３

位移为Ｏ．２３９呱径向、周向、轴向最大应力依次

为：４２０．８２８Ｐａ、７０２．２１Ｐａ、７０２．３１５

Ｐａ．表明：谐振

子的位移和应力设计，不会对其振动特性产生不良

影响．

图２谐振子各点总位移谱图

２密度传感器结构设计

２．１短管谐振子的结构设计

如图３所示．短筒谐振式密度传感器直接放置

于被测量液体中，短筒谐振子１的材料为３Ｊ５３恒弹

性合金，长度为８０ｍｍ，直径为２５ｍｍ，其结构为两端固定约束．圆短筒谐振子及激振线圈２和拾振线圈３安装在振子腔壳体４内，采用单激励单拾振方

式，通过线圈实现机一电转换，获得二阶振型圆短筒

谐振式的密度测量．壳体４中有过滤网避免气泡进

入谐振子．

一

４

图３短筒谐振子的结构图

２．２传感器的电路设计

谐振式密度传感器电路［１０３原理如图４所示．

激振＿ｒ—１－抬振

笥ｌｌ嚣

Ｉ每巫州卫吁吨孽｝

Ｉ谐摄子

Ｉ

ｌ

电平移动电路ｋ—一相位调节电路

图４谐振式密度传感器电路的基本结构

传感器测量电路包括两个主要部分．一个是谐

振式密度传感器闭环控制正反馈自动调节系统，它

万　

方数据包括：谐振子、激振线圈和拾振线圈和信号处理电路部分．在起始阶段，电路的噪声通过激振线圈，引起振筒细小位移；振筒位移又引起拾振线圈产生感应电动势；经过信号处理后，送到激振线圈，产生激振力．正反馈系统只与谐振筒固有频率相近的信号才能通过谐振筒传递到拾振线圈．信号处理的作用是信号放大和相位调节．拾振电路是考比兹电路的变形．信号通过放大器，带通滤波器和增益、相位调节移动电路，加载到激振线圈上．因此，可以获得高Ｑ

值的谐振子振动．

测量电路第二部分是单片机信号采集与补偿处理系统．单片机采用多周期法实现高精度周期测量，并与主控计算机串行通讯．温度传感器采用ＡＤ５９０

测量被测燃油的温度，以便于实现温度补偿．由上位计算机完成密度值计算，温度计算和密度修正．

３传感器实验

３．１传感器振型检测实验

振型的检测采用坐标法，利用非接触式测头测

量谐振子轴向和周向不同位置的振动幅度以确定振型．经过实验，得出谐振子浸没于油中振动时，横截

面最大振动幅度Ｏ．５卿，径向整波数行＝２，轴向半

波数ｍ＝１，则传感器为二阶振型．

３．２温度传感器标定实验

在一５５℃到１２５℃温度范围，用Ｐｔｌ００铂电阻

传感器对ＡＤ５９０型温度传感器标定，最大误差为

Ｏ．４８℃，频率影响为Ｏ．Ｏｌ％／℃．３．３密度传感器的标定实验

设ｔｌ、免为标定点温度，实测温度为￡（岛＜￡＜

如），传感器振动周期丁，通过查温度与密度关系表，

计算获取ｔ。、如温度下传感器系数分别为五ｏｌ’忌－ｌ、愚ｚ，，如、忌。：、如，通过线性插值方法，计算ｆ温度对应传感器系数量。、忌。、岛．通过下述公式，再根据传感器周期密度关系式计算被测燃油密度值．

１

‰＝■—三＿［（如一￡）忌０１＋（￡一ｔ１）志０２］

一

‘２一‘ｌ

１

一

五ｌ＝＿』＿［（乞一ｔ）忌１１＋（ｔ—ｆ１）忌１２］‘２一‘１

１

一

愚２＝＿』＿［（如一￡）愚２ｌ＋（ｔ—ｆ１）忌２２］

‘２一‘１

实验中采用不同密度的石油产品作为被测液

体［ｎ］，采用二等标准浮子式密度计确定２０℃时传感

器系数．将谐振式密度传感器和标准浮子式密度计放人同一被测液体中，温度设定在２０℃，单片机记录谐振子的振动周期和频率，并记录浮子密度计的

读数，表１为测量结果．表中，胁（ｋｇ・ｍ．３）为实测

２００４

传感技术学报２００７年

值；辟（ｋｇ・ｍ＿３）为计算值；△ｌＤ（ｋｇ・ｍ一３）为偏差值△１｜Ｄ／ｐ为相对偏差（％）．

表ｌ

２０℃时密度传感器标定实验数据

—丛一ｐ／ｋｇ・ｍ一３

∥Ｈｚ

Ｐ／ｋｇ・ｍ一３△』Ｄ／ｋｇ・ｍ一３

７５．１７５０．９２６０２．６７５４．７—３．８７１．３７５３．８２５９９．８７５７．１—３．３６５．４７５８．３２５９５．２７６１．１—２．８６１．７７６０．７２５９２．１７６３．７—３．Ｏ５５．８７６５．Ｏ２５８８．３７６６．９—２．１５０．９７６８．６２５８４．Ｏ７７０．７—２．１４５．３７７３．７２５７９．９７７４．２—０．５４０．１７７６．４２５７５．１７７８．４—２．Ｏ３５．２７８０．Ｏ２

５７１．３

７８１．７—１－７３２．１７８２．２

２５６８．６７８４．１—１．９

１９．８７９１．０

２５６１．１７９０．７Ｏ．３１４．６７９４．３２５５７．４７９４．０Ｏ．３８．５７９８．５２５５３．２７９７．８Ｏ．７

Ｏ．３

８０３．９２５４８．３８０２．２１．７

—５．８８０７．９２５４３．５８０６．５１．４—１３．７８１３．Ｏ２５３８．６８１１．Ｏ２．Ｏ一２０．１８１７．１

２

５３４．８

８１４．５２．６—２７．Ｏ

８２１．４２５３１．２

８１７．８

３．６

按被测燃油密度胁和谐振子振动周期Ｔ的关系式，用最小二乘法进行曲线拟合，得到２０℃下传感器系数‰、忌１、忌２分别为一２８６．５ｋｇ／ｍ３，一８．８７

×１０４

ｋｇ／（ｍ３・ｓ），７．２８６Ｇｋ∥（ｍ３・ｓ２）．再计算出

被测液体密度的计算值』０８和密度的计算值与测量值的偏差△ｐ可以看出，曲线拟合最大偏差为ｏ．１６ｋｇ／ｍ３，除对空气测量相对误差较大外，其余最大相对偏差为ｏ．０２％．曲线拟合的标准差为ｄ＝

√筹＿０．２２ｋｇ／ｍ３．

ｒ｝亍——＝－

标准浮子式密度计适用于２０℃，通过查石油密度换算表ＧＢｌ８８５［１幻得到常温下密度为７９１ｋ∥ｍ３燃油，以及在各个不同温度下的密度值．然后与在２０℃时的传感器系数计算的密度值比较，其差值即为补偿部分，实验数据如图５所示．图中，￡为温度，ｐ为换算表的值，』Ｄ为通过愚。、足。、愚。与周期计算出的密度值．

△ＩＤ＝印一』Ｄ为补的密度差值．△ＩＤ与温度ｆ进行曲线拟合，经计算结果如下：

△ＩＤ（ｆ）＝一０．０６６￡＋１．３

标定后的传感器最终计算表达式为：』Ｄ＝忌ｏ＋忌ｌＴ＋愚２ｒ＋△ｐ（￡）．从图４中的实验数据，得到传感器误差为：

３口＝３（∑谚／（，ｌ一１））１７２＝１．５蟛ｍ３

万　

方数据薄．

．一ｐ０（缸ｍ４）

．——ｐ仇ｍ１＇

。弋＼

，Ｏ

嘶８０

．。：＼≮５：Ｉ

７７０７６０．。

７５０

＼ｒ

，；

、

，

萋＼．、．

Ｖ

、

如

．１

－２

。３

＾

’Ⅵ℃、．

图５不同温度下的密度测量值和偏差

式中：让＝（ｐＤ一肛）为各测试点的残差；以为测试点

个数．

３．４密度传感器的稳定性实验

在一４５℃至１２０℃范围内，将温度分别设定到Ｏ℃、２０℃、４０℃、５０℃，分别在１ｈ后，测量振动频率的变化均不超过ｏ．５

Ｈｚ．

实验结果见图６所示．温度与被测液体密度的频率稳定性可达到万分之二，表明传感器具有很好的时间稳定性．

／

／

／

二豢

／）印．７８０缸＋２５６３

／．５０

Ｏ

５０

ｌｏｏ

温度／℃

图６密度传感器的温度与时阃稳定性试验

４密度传感器的测量误差

４．１密度测量的误差因素分析

①温度误差

经计算谐振子的固有频率在温

度每变化１℃时，引起谐振子＾的变化率为一８．６×１０一．随温度升高，＾降低．谐振子体积随温度的影响，经计算每升高１℃，密度高约０．２６×１０一．引起密度测量结果误差为ｏ．０６６ｋｇ／ｍ３．

②压力误差谐振子工作在振动模态下，对压ｇ工作在力变化的影响不敏感．谐振子质量仅为２充满燃油中，内外压力差几乎相等，其受压力的影响很小．

第９期

樊玉铭，张嘉亮等：一种高精度密度传感器的研究

２００５

③粘度影响

谐振子受到粘滞力与振动速度

忌ｚ＝磊ｔ∑』Ｄ｛ｆ＋ｄｓｚ∑砷ｔ＋∥ｓ。∑琊ｔ

方向相反，大小与燃油粘度和速度梯度成正比．在结

其中：

构设计中，采用缓冲区节流减速作用，减小了惯性的影响．

・

④气泡的影响气泡会使谐振子系统的参振丸＝南盼引质量减小，振动频率升高，导致测量密度比实际密度

小，给测量带来误差．４．２密度测量的误差

九硝一南医到圆短筒谐振式密度传感器测量误差为‰，标定

液密度的误差为“－、周期测量误差为“ｚ、温度影响的误差为以ｓ、最小二乘曲线拟合的误差为地．

九硝。＝南瞄到①标定液密度的测量误差“－

标定液密度通过二等浮子式密度计得到，此密

小南Ｉ壶到度计的测量误差上限为０．５ｋｇ／ｍ３，按均匀分布有关的Ｂ类不确定度分量为

”ｌ＝！窖＝ｏ．２９ｋｇ／ｒｎ３．

妒妒南Ｉ壶刭√３

②周期测量引起的测量误差“。

采用５倍周期法测量时，其误差上限为１／５时

如＝南ｂ豺

钟周期，均匀分布的Ｂ类不确定度为

Ｋ＝（Ａ，Ａ）一１Ａ７ｙ

计算结果志。为一２８６．５ｋｇ／ｍ３，愚ｌ为一８．８７×１０４

盯２焘×西氙＝０∞０５舻

ｋｇ／ｍ３・ｓ－ｌ，忌２为７．２８６×１０９ｋｇ・ｎ１３／ｓ２，标准差为

由此引起的密度不确定度分量为：

∥一√｝乌２

ｏ．２２

ｋｇ／ｍ３・对密度的最佳估计值为

砌＝寒ｄＴ＝（五１＋２忌２Ｔ）ｄＴ＝ｏ．０２８ａ』

ｋｇ／ｍ３

７８７．１６

ｋｇ／ｍ３，则自由度为１．最小二乘曲线拟合的

③温度影响引起的测量误差“ｓ

标准差为

温度传感器的测温极限误差为ｏ．５℃，均匀分布的Ｂ类周期测量不确定度为

口“瓦再函面可夏ｉＦ毛云Ｆ干蕊了ｑ丽

ｄｔ＝∑窖＝０．２９℃

＝Ｏ．１３

ｋｇ・Ｉ一

√３

‘

以上各个不确定度分量之间相互独立，合成不确定

由此引起的密度不确定度分量为：

度为

蚴＝罂ｄｔ＝一ｏ．０６６×ｄｔ＝ｏ．０１９口』

ｋｇ／ｎ１３

‰一“万再万再蕊＝ｏ．３２

ｋｇ／ｍ３

④最小二乘曲线拟合引起的测量误差钒取包含因子忌＝３，扩展不确定度Ｕ＝玩。＝前面给出了２０℃下用最小二乘法曲线拟合传Ｏ．９６

ｋｇ／ｍ３．

感器系数愚。、忌。、矗ｚ的标定实验数据．设矩阵为

综上所述，圆筒谐振式密度传感器密度测量结果１Ｔｌ砰１

Ｔ２镌一２］

测量不确定度为ｏ．１２％．

Ａ＝

．ｙ＝

，Ｋ：Ｉ足。Ｉ

ｌ

Ｌ

Ｔ：

ｂ：Ｊ

５结论

其中，ｎ、死…Ｌ为振动周期的测量值，ｌＤｌ、１０２…肛采用有限元法分析了圆筒谐振子静力学特性和

为密度测量值．应用最小二乘法进行曲线拟合，得到

模态响应、谱响应等动力学特性，以及谐振子固有频￡，＝ｙ—ＡＫ．因此，有

率的约束条件、结构参数、材料参数等．设计了圆短‰＝ｄ，。∑肛＋ｄ。。∑砷；＋ｄ・ｓ∑嘞。筒谐振子、传感器激振电路及单片机信号处理系统．给出了不同温度下密度传感器标定及温度补偿方

忌。＝ｄ。。∑ｐ＋如∑砷；＋ｄ。。∑琊；

法．分析了影响测量因素，及测量不确定度．

万　

方数据

２００６

传感技术学报

技术学报，１９９９，（２）：１０９—１１４．

２００７年

谐振式密度传感器具有稳定性好、测量精度高，抗干能力强等一系列优点，其应用前景十分广阔，如石油化工领域、汽车工业、食品饮料行业等的生产过程参数检测和自动控制中也将具有极大的市场．参考文献：

［１］

［５］魏新华等．一种基于单片机的智能化便携振动管式液体密度

计的研制口］．仪表技术与传感器，２００２，（７）：１２．１４．［６］李世雄，龚家伟，喻谷源．振动管式液体密度检测方法的探讨

［Ｊ］．农业机械学报，１９９９．３０（１）：７７－８３３．

［７］樊尚春、刘广玉，王振军．轴对称壳振子振型的进动研究［Ｊ］．

仪器仪表学报，１９９０，１１（２）：１５３．１５９．

［８］颜云辉，谢里阳，韩清凯主编．结构分析中的有限元法及其应

用［Ｍ］．沈阳：东北大学出版社，２０００．１２．

Ｈｉ∞幽Ｎｉｓｈｉｎｏ，ＪｕＩｌｉｍ

Ｓａ髓１‘ｉ，ｅｔａＬｓｔａｔｅｓ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ

ｓ崛ｕｌ‘ｉ，Ｓｈｉｇ∞Ｙａｓｕｄａ，ＭｉｔｓｕＫｋｏＴｙｐｅＧ∞Ｄｅｎｓｉｔｏｍｅｔｅｒ．ＵＩｌｉｔｅｄ

Ｐａｔ∞ｔ［Ｐ］．Ｐａｔｅｎｔ

Ｎ啪ｂｅｒ

６０２９５０１：２０００．

［９］隋修武，樊玉铭，张国雄等．圆筒谐振式密度传感器的计算及

有限元分析［Ｊ］．传感技术学报，２００４．（４）：５９０－５９３．

［２］Ｎ觚Ｌｉ’Ｊｕｎ－ｆａｎ函～ｒｃｒａｆｔＦｕｅｌＤｅｎｓｉｔｙＭ髓ｓｕｒ咖％ｔＢａｓｅｄ

ｏｎ

Ｒａｄｉｏ扯ｔｉｖｅＲａｙＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎＰｒｉｎｄｐｌｅ［Ｊ］．Ｔ１１ｅ

Ｉｎｔｅ册一

［１０］李勇，闰明．振动管式液体密度传感器的原理及电路组成

［Ｊ］．信息技术，２００２，５：５３—５６．

［１１］国家质量技术监督局，ＧＢ／Ｔ１８８４，石油和液体石油产品密度

ｔｉｏ舱ｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒ０ｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎ∞ｒｉｎｇ，２００４，５２５３（１）：８９—９３．

［３］赵敏，潘卫明，杨灿军．基于神经网络的数据融合技术在谐振

式密度传感器中的运用［Ｊ］．传感技术学报，２０００．（３）。１８７—

１９２．

测定法（密度计法）［Ｍ］．北京；中国标准出版社，２０００．６．［１２］国家质量技术监督局，ＧＢ／Ｔ１８８５，石油密度计量换算表［Ｍ］．

北京：中国标准出版社，２０００．６．

［４］

吕霞付等．一种表面波液体密度传感器的实验研究［Ｊ］．传感

樊玉铭（１９４７一），男，１９７０年毕业于天津大学精密仪器工程系．天津大学精密仪器与光电子工程学院，教授，研究生导师．长期从事传感器与在线检测技术。曾主持完成多项国家、部委及企业委托项目．并主编《机械工程师手册》第五篇“测量与控制”、《检测技术电子辅助教材》以及《机械工程手册》、《电子工程师手册》、《几何量测量手册》、《简明机械工程手册》等“精密测量技术”篇章．同时在国内外著名杂志和会议发

表有关精密测量技术与仪器方面论文５０余篇，ｆ柚舯ｉ１１９＠ｔｊｌＬ

ｅｄｌｌ．ｃ１１．

万方数据　

一种高精度密度传感器的研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

樊玉铭， 张嘉亮， 王芸， 隋修武， 陈卫东， 任俊峰， 姚伟， FAN Yu-ming， ZHANG Jia-liang ， WANG Yun， SUI Xiu-wu， CHEN Wei-dong， REN Jun-feng， YAO Wei天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津,300072

传感技术学报

CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS2007，20(9)0次

参考文献(12条)

1. Hiroshi Nishino. Junichi Suzuki. Shigeo Yasuda. Mitsuhiko Sasaki,etal Vibration Type Gas Densitometer 2000

2. Nan Li. Jun-fang Aircraft Fuel Density Measurement Based on Radioactive Ray Attenuation Principle2004(01)

3. 赵敏. 潘卫明. 杨灿军 基于神经网络的数据融合技术在谐振式密度传感器中的运用[期刊论文]-传感技术学报2000(03)

4. 吕霞付 一种表面波液体密度传感器的实验研究 1999(02)

5. 魏新华 一种基于单片机的智能化便携振动管式液体密度计的研制[期刊论文]-仪表技术与传感器 2002(07)6. 李世雄. 龚家伟. 喻谷源 振动管式液体密度检测方法的探讨[期刊论文]-农业机械学报 1999(01)7. 樊尚春. 刘广玉. 王振军 轴对称壳振子振型的进动研究 1990(02)8. 颜云辉. 谢里阳. 韩清凯 结构分析中的有限元法及其应用 2000

9. 隋修武. 樊玉铭. 张国雄 圆筒谐振式密度传感器的计算及有限元分析[期刊论文]-传感技术学报 2004(04)10. 李勇. 闰明 振动管式液体密度传感器的原理及电路组成[期刊论文]-信息技术 2002(05)11. 国家质量技术监督局 GB/T 1884.石油和液体石油产品密度测定法(密度计法) 200012. 国家质量技术监督局 GB/T 1885.石油密度计量换算表 2000

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgjsxb200709015.aspx

授权使用：浙江省医学高等专科学校(wfzjyygz)，授权号：ccbddc56-1526-4268-902e-9e5800ceb885

下载时间：2010年12月26日