ZD介紹了音叉式密度計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選型要點(diǎn)。通過與其他類型密度計(jì)的對比，可以看出音叉式密度計(jì)具有無壓力損失、即插即用、安裝簡單、維護(hù)方便等優(yōu)勢。結(jié)合工程實(shí)踐探討了在不同流速、不同管徑工況下，如何優(yōu)化密度計(jì)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(jì)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(jì)的分類

密度計(jì)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(jì)、科式質(zhì)量流量計(jì)、放射性密度計(jì)和音叉式密度計(jì)。

(1)差壓式密度計(jì)。通過測量一定高度液體差壓的變化，計(jì)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(jì)。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(jì)。利用射線穿過被測物質(zhì)時，其強(qiáng)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(shí)現(xiàn)非接觸式測量，適用于高壓、高黏度、強(qiáng)腐蝕的苛刻工況。

(4)音叉式密度計(jì)。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(hù)量小，測量精度高的特點(diǎn)，能在管道和儲罐中進(jìn)行連續(xù)的實(shí)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(jì)的測量原理

音叉式密度計(jì)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(jì)算出當(dāng)前液體的密度。

金屬叉體的機(jī)械性能和彈性隨溫度改變會引起音叉機(jī)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(bǔ)償溫度變化的影響。

3、音叉式密度計(jì)特點(diǎn)及選型要點(diǎn)

3.1特點(diǎn)

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

(2)與科氏質(zhì)量流量計(jì)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(qiáng)的介質(zhì)，材質(zhì)選擇更為廣泛，更為經(jīng)濟(jì)。

(3)與放射性密度計(jì)相比，對于高壓、高黏度和強(qiáng)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(diǎn)

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(zhǔn)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(jì)的某絲束項(xiàng)目，原料經(jīng)紡絲機(jī)噴絲生成細(xì)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(shí)時在線監(jiān)測乳劑的密度，實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(rèn)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(kuò)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，為保證叉體能完全浸沒到管道介質(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(xiàng)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(shí)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(kuò)徑至儀表要求的DN100，通過計(jì)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?yàn)楣軓叫∮贒N100，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(jì)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。

該項(xiàng)目選擇了diyi種工況的修訂方式。此外，因?yàn)槊芏扔?jì)完全位于安裝套管內(nèi)，易導(dǎo)致較大的溫度梯度，采用巖棉對T型套管進(jìn)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(jì)無可動部件，無管系壓力損失，即插即用，安裝簡單，維護(hù)方便，具有其他類型密度測量儀表無法替代的優(yōu)越性，具有良好的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)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。