音叉式密度計的應(yīng)用

本文介紹了音叉式密度計的工作原理、結(jié)構(gòu)特點和選型要點。通過與其他類型密度計的對比，可以看出音叉式密度計具有無壓力損失、即插即用、安裝簡單、維護方便等優(yōu)勢。結(jié)合工程實踐探討了在不同流速、不同管徑工況下，如何優(yōu)化密度計的選型和選擇正確的安裝方式，從而充分發(fā)揮儀表的性能。

密度計是一種重要的在線分析儀表，用于連續(xù)測量液體的密度，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)裝置中，其檢測精度和穩(wěn)定性直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，甚至危及工藝裝置的穩(wěn)定性和安全性。

1、密度計的分類

密度計的種類較多，原理各異。目前應(yīng)用比較廣泛的有差壓式密度計、科式質(zhì)量流量計、放射性密度計和音叉式密度計。

(1)差壓式密度計。通過測量一定高度液體差壓的變化，計算液體密度ρ=Δp/gH。該類儀表需要有固定高度的液位差才能使用，比較適用于靜設(shè)備工況，應(yīng)用條件具有一定的局限性。

(2)科氏質(zhì)量流量計。液體流經(jīng)儀表測量管時，測量管振動頻率隨介質(zhì)質(zhì)量、密度的變化而變化，共振頻率是介質(zhì)密度的函數(shù)。該類儀表精度高、性能穩(wěn)定，但儀表本身壓力損失大，大口徑儀表價格昂貴。

(3)放射性密度計。利用射線穿過被測物質(zhì)時，其強度隨物質(zhì)密度變化的原理，用于測量物質(zhì)密度。該類儀表可實現(xiàn)非接觸式測量，適用于高壓、高黏度、強腐蝕的苛刻工況。

(4)音叉式密度計。利用音叉振動的諧振頻率隨液體的密度變化而變化的原理，直接測量液體密度。該類儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、維護量小，測量精度高的特點，能在管道和儲罐中進行連續(xù)的實時測量，適用于更廣泛的生產(chǎn)過程和復(fù)雜的工況。

2、音叉式密度計的測量原理

音叉式密度計為一體化結(jié)構(gòu)，主要由變送器、振動叉體和測溫元件組成。音叉叉體在壓電晶體驅(qū)動下以固有頻率振動，振動的頻率由位于另一叉體末端的壓電晶體檢測出來。當(dāng)液體流經(jīng)叉體時，叉體的固有振動頻率會隨著周圍液體密度的變化而變化，叉體的振動周期(頻率倒數(shù))與液體密度呈特定的函數(shù)關(guān)系。通過檢測振動頻率的變化，即可計算出當(dāng)前液體的密度。

金屬叉體的機械性能和彈性隨溫度改變會引起音叉機械部件振動頻率的變化，通過集成在叉體上的溫度檢測元件，補償溫度變化的影響。

3、音叉式密度計特點及選型要點

3.1特點

(1)與差壓式密度計相比，音叉式密度計能對管道和儲罐中的介質(zhì)密度進行連續(xù)的實時測量，無需特定高度的液位差，測量點的選取更靈活。

(2)與科氏質(zhì)量流量計相比，結(jié)構(gòu)簡單、無節(jié)流元件，管系的壓力損失幾乎為零，并且對腐蝕性強的介質(zhì)，材質(zhì)選擇更為廣泛，更為經(jīng)濟。

(3)與放射性密度計相比，對于高壓、高黏度和強腐蝕的苛刻工況，也有良好的表現(xiàn)，并且免除了放射性物質(zhì)對操作人員健康的威脅，更加環(huán)保安全。

3.2選型要點

音叉叉體在振動時，產(chǎn)生1個以音叉末端為ZX的橢圓形有效測量區(qū)域，叉體檢測該敏感區(qū)域內(nèi)流體性質(zhì)，對此區(qū)域外的流體性質(zhì)都不敏感。

當(dāng)音叉振動敏感區(qū)被管壁阻隔時，振動波被管壁反射產(chǎn)生變形，稱之為邊界效應(yīng)，儀表校準時需要考慮邊界效應(yīng)對測量精度的影響。

4、工程應(yīng)用

4.1普通工況

筆者參與設(shè)計的某絲束項目，原料經(jīng)紡絲機噴絲生成細纖維束，為了除去絲束的靜電和防止磨損，要在絲束上噴涂油劑、乳化劑，乳化劑的密度會直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，因而需要實時在線監(jiān)測乳劑的密度，實時調(diào)整乳化劑的配比。通過比較各種類型儀表，決定選用音叉式密度計產(chǎn)品。

(1)儀表選型。乳化劑為非腐蝕介質(zhì)，音叉叉體選擇標(biāo)配316L材質(zhì)；過程連接為DN50法蘭;密度計為兩線制儀表，無需外供電，一體式變送器輸出4～20mA模擬量信號，疊加HART通信，表頭還可輸出參考密度等參數(shù)；密度計所處的環(huán)境中同時含有可燃性氣體丙酮和可燃性粉塵絲束，因而要求儀表同時具備氣體和粉塵雙重防爆認證。

(2)儀表安裝。儀表安裝所在管道公稱直徑為DN80，邊界效應(yīng)會降低儀表測量精度。因此，將管道擴徑至DN100，此時流速為0.3m/s，仍滿足儀表流速要求。同時為了避免積氣或積料，采用水平安裝的方式。音叉叉體長75mm，為保證叉體能浸沒到管道介質(zhì)中，過程接管應(yīng)小于70mm。

4.2需考慮邊界效應(yīng)修正工況

在另一化工項目中，需要檢測原料密度以調(diào)整原料在結(jié)晶器中結(jié)晶的時間。實際工況的溫度、壓力、密度、黏度均滿足儀表適用工況，但儀表所在管道為DN50，流速為0.6m/s，高于0.3～0.5m/s的儀表適用工況。如果將管道擴徑至儀表要求的DN100，通過計算得到流速約為0.15m/s，又不滿足儀表適用工況。采用T型套管的安裝方式，將叉體“藏”在套管內(nèi)，可解決此問題。

T型套管長度根據(jù)主管道內(nèi)液體流速確定，套管越長，套管內(nèi)流速越低；套管管徑與主管同徑。因為管徑小于DN100，邊界效應(yīng)會降低儀表測量精度，因而在儀表選型時需要考慮傳感器在邊界效應(yīng)影響下的標(biāo)定，修正儀表常數(shù)K0、K1、K2。某公司音叉式密度計的選型代碼中，針對存在邊界效應(yīng)的安裝方式，提供了三種修訂工況：DN50SCH40的T型管；DN50SCH80的T型管；DN80SCH80流通室。

此外，因為密度計位于安裝套管內(nèi)，易導(dǎo)致較大的溫度梯度，采用巖棉對T型套管進行保溫，可大幅消除溫度梯度對測量的影響。

5、結(jié)束語

音叉式密度計無可動部件，無管系壓力損失，即插即用，安裝簡單，維護方便，具有其他類型密度測量儀表無法替代的性，具有良好的應(yīng)用前景。在設(shè)計過程中，要充分研究過程工況和介質(zhì)特性，選擇合理的安裝方式，充分發(fā)揮儀表的性能。