液體密度儀比重計(jì)的分類和優(yōu)缺點(diǎn)及選型方法

       目前市場(chǎng)上的密度儀比重計(jì)大致可分為三大類：臺(tái)式密度儀（實(shí)驗(yàn)室使用）、便攜式密度儀（現(xiàn)場(chǎng)使用）和在線密度儀（工業(yè)實(shí)時(shí)檢測(cè)）。

一、 臺(tái)式密度儀

      1、玻璃管密度計(jì)

      玻璃管密度計(jì)操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，因而在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。操作時(shí)用小量筒取樣，放入玻璃管密度儀，直接讀取浮在液體平面線上的數(shù)值。

       玻璃管密度儀一般精度在0.01-0.001g/cm³之間，分段測(cè)量：0.6-0.7、0.7-0.8……1.4-1.5g/cm³,測(cè)量誤差來(lái)源于本身的制造精度和人工操作及讀數(shù)誤差，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和控制。

       2、臺(tái)式電子密度儀

       臺(tái)式電子密度儀主機(jī)是稱重天平，用于實(shí)驗(yàn)室取樣測(cè)量。應(yīng)用阿基米德浮力原理，先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)石英砝碼在空氣中的重量，再測(cè)量石英砝碼在液體介質(zhì)中的重量，兩者差值即為砝碼在液體介質(zhì)中的浮力，與標(biāo)準(zhǔn)砝碼的密度相比即可折算出液體介質(zhì)的密度。

       圖示為上海崢嵐實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)JN-120E高精度臺(tái)式液體密度儀，精度為萬(wàn)分之一（0.0001g/cm³）。測(cè)量過程3次按鍵后自動(dòng)顯示密度讀數(shù)：①掛鉤稱重按鍵清零；②稱重砝碼按鍵；③砝碼放入液體介質(zhì)中按鍵。

        精度來(lái)源天平稱重傳感器的精度和操作人員的技術(shù)熟練程度，一般為千分之一和萬(wàn)分之一兩種精度。

二、 便攜式密度儀

     便攜式密度儀分為兩種：實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)取樣用便攜密度儀和現(xiàn)場(chǎng)投入式便攜密度儀。

      1、實(shí)驗(yàn)室取樣便攜密度儀

       該密度儀一般采用震蕩管原理，以?shī)W地利、日本的進(jìn)口產(chǎn)品為代表，液體取樣2ml，測(cè)量精度0.001 g/cm³，重復(fù)性0.0005g/cm3，內(nèi)置硫酸、糖分、酒精等溶液的濃度數(shù)據(jù)。

左圖為奧地利Anton Paar（安通帕）DMA-35便攜式密度儀。

       2、現(xiàn)場(chǎng)投入式便攜密度儀（手持式密度儀）

       該密度儀無(wú)需取樣，直接投入到液體中測(cè)量，測(cè)量深度200mm~25000mm，適合于工礦現(xiàn)場(chǎng)的油桶、儲(chǔ)罐、過程罐、槽車、脫硫池，以及野外的深井、湖泊、海洋中液體密度測(cè)量，應(yīng)用較為廣泛。

       這種投入式便攜密度儀以德國(guó)JENNER（詹納）JPD-100S便攜式密度傳感器為代表，有直桿式和電纜式兩種結(jié)構(gòu)。密度測(cè)量精度0.001 g/cm³，溫度測(cè)量精度0.5℃，內(nèi)置氨水、酒精等溶液的濃度數(shù)據(jù)，屏幕顯示密度、溫度、時(shí)間日期，可儲(chǔ)存200組測(cè)量數(shù)據(jù)。

       JPD-100S便攜式密度儀由上海崢嵐實(shí)業(yè)有限公司總經(jīng)銷，并在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

三、 在線密度儀比重計(jì)

       1、差壓式在線密度儀

       測(cè)量原理：差壓式密度計(jì)應(yīng)用阿基米德原理通過液柱產(chǎn)生的重力差△P=ρgh，當(dāng)h一定時(shí)，差壓變送器測(cè)出的差壓值除以重力加速度和長(zhǎng)度就得到密度值。 

       差壓密度儀的結(jié)構(gòu)型式有①頂裝插入式、②側(cè)裝彎管式、③側(cè)裝雙法蘭、④管道式。以上海崢嵐公司JN3351MD系列產(chǎn)品為例，結(jié)構(gòu)圖片如下：

        應(yīng)用于耐腐蝕的工況的差壓密度儀有特氟龍噴涂密度儀（①左）、全PTFE封裝密度儀（①中）、側(cè)裝密度儀（③），膜片材料可選鉭合金、哈氏合金、蒙乃爾合金等。

       優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性價(jià)比高，應(yīng)用廣泛。

       缺點(diǎn)，并且是較難克服的功能型缺陷，常應(yīng)用于精度要求不高的工況：

       1）該產(chǎn)品只能垂直安裝，對(duì)安裝的垂直度要求較高；

       2）只能測(cè)量靜止液體，攪動(dòng)液體的工況下測(cè)量精度較差，管道流動(dòng)液體則不能測(cè)量；

       3）溫度系數(shù)差，溫度上升下降均會(huì)引起零點(diǎn)漂移（如果沒有做溫度補(bǔ)償則偏差會(huì)更大），需要經(jīng)常調(diào)整零點(diǎn)，較難克服此缺陷；

       4）應(yīng)用高精度傳感器，改進(jìn)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，修正伯努利流體力學(xué)特性，增加集成電路補(bǔ)償消除各種偏差的影響，如JDP-500S密度檢測(cè)裝置，可有效提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性，但產(chǎn)品喪失了成本優(yōu)勢(shì)。

       2、音叉式在線密度計(jì)

       工作原理：音叉密度計(jì)傳感器是根據(jù)振動(dòng)原理設(shè)計(jì)的。振動(dòng)元件類似于兩齒的音叉，叉體由齒根的一個(gè)壓電晶體激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)的頻率通過另一個(gè)壓電晶體檢測(cè)出來(lái)，通過移相和放大電路，叉體被穩(wěn)定在自然諧振頻率上。當(dāng)液體流經(jīng)叉體時(shí)，振動(dòng)發(fā)生改變，引起諧振頻率變化，通過集成電路處理單元計(jì)算出準(zhǔn)確的密度值。

       市場(chǎng)上音叉密度儀以艾默生7826、7828為代表，高精度可達(dá)0.001g/cm³。

       優(yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)單，即插即用，可以測(cè)量管道流動(dòng)液體介質(zhì)，測(cè)量含有固體或氣泡的混合液體介質(zhì)的密度；

       缺點(diǎn)：

       1）該密度計(jì)不能測(cè)量易結(jié)晶、易結(jié)垢、易掛料的液體介質(zhì)；

       2）管道液體流動(dòng)速度不能超過2m/s；

       3）液體介質(zhì)溫度不能高于90℃；

       4）測(cè)量精度和穩(wěn)定性均不夠理想。

       5）國(guó)產(chǎn)音叉密度儀在理想狀態(tài)下精度0.003g/cm³。

      四、科里奧利質(zhì)量密度儀（科氏力質(zhì)量流量計(jì)） 

       工作原理：測(cè)量管連續(xù)地以一定的共振頻率進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)頻率隨流體的密度變化而變化，因此共振頻率是流體密度的函數(shù)，通過測(cè)量共振頻率即可準(zhǔn)確獲得流體的密度。在密度測(cè)量的同時(shí)還可以根據(jù)科里奧利力原理直接測(cè)量封閉管道內(nèi)流體的質(zhì)量流量。 

       市場(chǎng)上占主導(dǎo)的地位的科氏力質(zhì)量流量計(jì)主要3家：艾默生、E+H、科隆。圖示為三家公司的典型產(chǎn)品。

        優(yōu)點(diǎn):

      1）測(cè)量精度高，流量精度可達(dá)0.05%，密度精度可達(dá)0.0005g/cm³，是所有測(cè)量?jī)x表中精度較高的產(chǎn)品；

      2）不受流體物理性質(zhì)(密度、黏度等)的影響,應(yīng)用范圍廣；

      3）無(wú)可動(dòng)部件,可靠性高；

      4）測(cè)量值不受管道內(nèi)流動(dòng)場(chǎng)所影響,上、下游直管段長(zhǎng)度的要求低；

      5）可調(diào)量程比寬達(dá)1∶100；

      6）可測(cè)各種非牛頓流體以及黏滯和含微粒的漿液。

     缺點(diǎn):

      1）阻力損失較大,零點(diǎn)有時(shí)不穩(wěn)定,管路振動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度；

      2）容易結(jié)垢堵塞,必須經(jīng)常進(jìn)行沖洗，因此運(yùn)行維護(hù)人員既要經(jīng)常去觀察該測(cè)量值的變化,又要頻繁地進(jìn)行沖洗,以至影響密度測(cè)量的連續(xù)和穩(wěn)定；

      3）最大不足：價(jià)格昂貴。

      五、放射性同位素密度儀 

       工作原理：儀器內(nèi)部設(shè)有放射性同位素輻射源，它的放射性輻射（例如γ射線）在透過一定厚度的被測(cè)介質(zhì)后被射線檢測(cè)器所接收。當(dāng)介質(zhì)的厚度一定時(shí)，對(duì)射線的衰減量?jī)H是該液體介質(zhì)物質(zhì)密度的函數(shù)。通過儀表內(nèi)部的運(yùn)算即可得出其密度值 

       優(yōu)點(diǎn)：放射性密度計(jì)可以在不接觸被檢測(cè)對(duì)象，特別是在高溫、高壓、高腐蝕性和有毒的情況下，對(duì)容器內(nèi)的物料密度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 

       缺點(diǎn)：是管道內(nèi)壁結(jié)垢及磨損將引起測(cè)量誤差，涉及審批程序繁瑣，管理與檢查嚴(yán)格。

     六、超聲波在線密度儀 

       工作原理：超聲波在線密度儀是應(yīng)用超聲波在液體中的傳導(dǎo)速度來(lái)測(cè)量液體的密度。理論和實(shí)驗(yàn)證明：超聲波在特定的溫度下、特定的濃度或密度的液體中傳遞速度是確定的。液體的濃度變化會(huì)引起超聲波傳導(dǎo)速度的改變。液體中超聲波的傳導(dǎo)速度是液體彈性模數(shù)和密度的函數(shù)，因而液體在一定溫度下超聲波在其中傳導(dǎo)速度的變化反映了液體濃度或密度的變化。當(dāng)儀表的超聲波傳感單元發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，并測(cè)量出其在過程液體中的傳遞速度及液體的當(dāng)前溫度，儀表通過這些相關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，準(zhǔn)確求出當(dāng)前液體介質(zhì)的濃度或密度值。 

       優(yōu)點(diǎn)：超聲波檢測(cè)不受介質(zhì)的濁度、色度及電導(dǎo)率的影響，也不會(huì)受流態(tài)及雜質(zhì)的干擾。 

       缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴。測(cè)量精度受液體介質(zhì)中的氣泡影響比較大。受到自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾，產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性還有待提高。

作者：

陸偉逸 總工程師

上海崢嵐實(shí)業(yè)有限公司