流體密度的測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種流體密度的測量裝置及方法。該測量裝置包括：摩擦發(fā)電機傳感器、恒流裝置和數(shù)據(jù)采集處理裝置；摩擦發(fā)電機傳感器包括在流體流動作用下發(fā)生振動的振膜，用于將產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)換為交流電信號；恒流裝置與摩擦發(fā)電機傳感器相連接，用于在流體進入摩擦發(fā)電機傳感器之前恒定流體的流速；數(shù)據(jù)采集處理裝置分別與摩擦發(fā)電機傳感器和恒流裝置電連接，用于采集處理摩擦發(fā)電機傳感器輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，根據(jù)振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置及方法，可實時測量流體密度，準確可靠，且測量裝置及方法簡單、易于操作。
【專利說明】
流體密度的測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電子電路領(lǐng)域，具體涉及一種流體密度的測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]流體多種多樣，有氣體流體、液體流體等多種流體，不同的流體密度均不相同。在測量流體密度時，可以采用專門的流體密度測量工具，如采用專門的密度檢測儀器對流體密度進行測試。但是，現(xiàn)有的密度檢測儀器往往結(jié)構(gòu)復雜，操作要求較高，而且大多數(shù)密度檢測儀器對環(huán)境也有較高的要求，無法簡單操作即可得知流體密度，這都需要專業(yè)人士進行操作。同時，在測量不同的流體密度時，需要針對不同的流體采用不同的密度檢測儀器進行測量，這也給測量人員的工作帶來了極大的麻煩。
[0003]并且由于現(xiàn)有的大多數(shù)密度檢測儀器需要測量人員進行大量的測量工作，因此，其一般不能夠?qū)崟r的測量流體密度，而且也由于密度檢測儀器需要大量的人為操作，使得測量結(jié)果不準確，存在誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種流體密度的測量裝置及方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的測量裝置結(jié)構(gòu)復雜、操作困難，且不能實時測量流體密度，準確性差等冋題。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種流體密度的測量裝置，包括:摩擦發(fā)電機傳感器、恒流裝置和數(shù)據(jù)采集處理裝置;其中，
[0006]摩擦發(fā)電機傳感器包括在流體流動作用下發(fā)生振動的振膜，用于將在流體流動作用下產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)換為交流電信號；
[0007]恒流裝置與摩擦發(fā)電機傳感器相連接，用于在流體進入摩擦發(fā)電機傳感器之前恒定流體的流速；
[0008]數(shù)據(jù)采集處理裝置分別與摩擦發(fā)電機傳感器和恒流裝置電連接，用于采集處理摩擦發(fā)電機傳感器輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，根據(jù)振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。
[0009]可選地，還包括流體源裝置，流體源裝置與摩擦發(fā)電機傳感器或恒流裝置相連接，用于在恒流裝置的作用下向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體。
[0010]可選地，摩擦發(fā)電機傳感器還包括:外殼、電極、摩擦片和振膜固定架；
[0011 ]外殼內(nèi)部形成有適于流體通過的通孔；電極設置在外殼的內(nèi)壁上;摩擦片設在電極不與外殼的內(nèi)壁接觸的一側(cè)表面上;振膜固定架架設在外殼的內(nèi)壁上，振膜固定架上設置有振膜；
[0012]當流體流經(jīng)通孔時，振膜發(fā)生振動與摩擦片不與電極接觸的一側(cè)表面接觸摩擦產(chǎn)生交流電信號，并通過電極輸出至數(shù)據(jù)采集處理裝置。
[0013]可選地，數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到流體密度。
[0014]可選地，摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)包括:振膜密度、振膜厚度和振膜長度。
[0015]可選地，流體源裝置還與數(shù)據(jù)采集處理裝置電連接，進一步用于:在恒流裝置的作用下向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入已知密度的流體，并輸出已知密度的流體的密度電信號至數(shù)據(jù)采集處理裝置。
[0016]可選地，數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:采集處理流體源裝置輸出的已知密度的流體的密度電信號，得到已知密度的流體的密度。
[0017]可選地，數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:根據(jù)已知密度的流體的密度、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及注入已知密度的流體時數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到已知比例系數(shù)。
[0018]可選地，流體源裝置為可控壓力氣源裝置，可控壓力氣源裝置分別與摩擦發(fā)電機傳感器和恒流裝置相連接，還與數(shù)據(jù)采集處理裝置電連接，用于調(diào)節(jié)流體的壓強，通過恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入不同壓強下的流體，并輸出對應的壓強電信號至數(shù)據(jù)采集處理裝置。
[0019]可選地，數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:采集處理可控壓力氣源裝置輸出的不同壓強下的流體的壓強電信號，得到對應的不同壓強下的流體的壓強，根據(jù)不同壓強下的流體的壓強和已知物理參數(shù)，計算得到不同壓強下的流體的密度。
[0020]可選地，已知物理參數(shù)包括:理想氣體常數(shù)和理想氣體的熱力學溫度。
[0021]可選地，數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:根據(jù)不同壓強下的流體的密度、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及注入不同壓強下的流體時數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到已知比例系數(shù)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種流體密度的測量方法，利用上述流體密度的測量裝置進行測量，測量方法包括:
[0023]利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體；
[0024]采集處理流體注入過程中摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速；
[0025]根據(jù)采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。
[0026]可選地，根據(jù)采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速得到流體密度進一步包括:根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到流體密度。
[0027]可選地，摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)包括:振膜密度、振膜厚度和振膜長度。
[0028]可選地，根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到流體密度進一步包括:
[0029]利用如下公式計算得到流體密度:
[0030]Pf = K ω 2[0031 ] K =KpshL/U2
[0032]其中，pf為流體密度，K為已知物理參量，ω為振膜振動頻率，〖為已知比例系數(shù)，ps為振膜密度，h為振膜厚度，L為振膜長度，U為流體流速。
[0033]可選地，在利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體之前，方法還包括:
[0034]將已知密度的流體注入到流體源裝置中；
[0035]采集處理流體源裝置輸出的已知密度的流體的密度電信號，得到已知密度的流體的密度；
[0036]通過恒流裝置將流體源裝置中的已知密度的流體注入到摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)；采集處理已知密度的流體注入過程中摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速；
[0037]根據(jù)已知密度的流體的密度、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及已知密度的流體注入過程中數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到已知比例系數(shù)。
[0038]可選地，流體源裝置為可控壓力氣源裝置，在利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體之前，方法還包括:
[0039]將流體注入到可控壓力氣源裝置中產(chǎn)生不同壓強下的流體；
[0040]采集處理可控壓力氣源裝置輸出的不同壓強下的流體的壓強電信號，得到對應的不同壓強下的流體的壓強，根據(jù)不同壓強下的流體的壓強和已知物理參數(shù)，計算得到不同壓強下的流體的密度；
[0041 ]通過恒流裝置將不同壓強下的流體注入到摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)；
[0042]采集處理不同壓強下的流體注入過程中摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速；
[0043]根據(jù)不同壓強下的流體的密度、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及不同壓強下的流體注入過程中數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得已知比例系數(shù)。
[0044]可選地，已知物理參數(shù)包括:理想氣體常數(shù)和理想氣體的熱力學溫度。
[0045]根據(jù)本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置及方法，在恒定流速的流體進入摩擦發(fā)電機傳感器后，數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理摩擦發(fā)電機傳感器輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，并根據(jù)振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置及方法，可實時測量流體密度，準確可靠，且測量裝置及方法簡單、易于操作。同時由于其結(jié)構(gòu)簡單，致使其制作成本低廉，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0046]圖1為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖2為圖1中的摩擦發(fā)電機傳感器的縱向剖面圖；
[0048]圖3為圖1中的摩擦發(fā)電機傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖4為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖5為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051]圖6為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖7為本發(fā)明提供的流體密度的測量方法實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0053]為充分了解本發(fā)明之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本發(fā)明做詳細說明，但本發(fā)明并不僅僅限于此。
[0054]圖1為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，流體密度的測量裝置，包括:摩擦發(fā)電機傳感器100、恒流裝置200和數(shù)據(jù)采集處理裝置300。其中，摩擦發(fā)電機傳感器100包括在流體流動作用下發(fā)生振動的振膜(圖中未示出)，用于將在流體流動作用下產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)換為交流電信號;恒流裝置200與摩擦發(fā)電機傳感器100相連接，設置在摩擦發(fā)電機傳感器100的一側(cè)，用于在流體進入摩擦發(fā)電機傳感器100之前恒定流體的流速;數(shù)據(jù)采集處理裝置300分別與摩擦發(fā)電機傳感器100和恒流裝置200電連接，用于采集處理摩擦發(fā)電機傳感器100輸出的交流電信號和恒流裝置200輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，根據(jù)振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。
[0055]圖2為圖1中的摩擦發(fā)電機傳感器的縱向剖面圖，圖3為圖1中的摩擦發(fā)電機傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2和圖3所示，摩擦發(fā)電機傳感器100包括:外殼110、電極120、摩擦片130、在流體流動作用下發(fā)生振動的振膜140以及振膜固定架150。其中，電極120、摩擦片130、振膜140和振膜固定架150都設置在外殼110的內(nèi)部。
[0056]具體地，結(jié)合圖1至圖3，外殼110內(nèi)部形成有適于流體通過的通孔160;電極120設置在外殼110的內(nèi)壁上;摩擦片130設置在電極120不與外殼110的內(nèi)壁接觸的一側(cè)表面上；振膜140具有固定端和自由端，振膜140的固定端固設在振膜固定架150上，振膜140的自由端在流體流動作用下發(fā)生振動;振膜固定架150架設在外殼110的內(nèi)壁上，其中，在外殼110的內(nèi)壁的相對的側(cè)壁上設置有2個固定凹槽170，用于固定架設振膜固定架150于固定凹槽170中，進而實現(xiàn)振膜140的安裝固定。當流體流經(jīng)通孔160時，振膜140發(fā)生振動與摩擦片130不與電極120接觸的一側(cè)表面接觸摩擦產(chǎn)生交流電信號，并通過電極120輸出至數(shù)據(jù)采集處理裝置300。
[0057]應當注意的是，在圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)中，與振膜140的固定端靠近的摩擦發(fā)電機傳感器100的端口為摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸入口，與振膜140的自由端靠近的摩擦發(fā)電機傳感器100的端口為摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸出口。也就是說，流體應當從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸入口輸入，從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸出口輸出，以保證摩擦發(fā)電機傳感器100的振膜140的正常振動。圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)僅為摩擦發(fā)電機傳感器的一個具體示例，本發(fā)明不僅限于這種結(jié)構(gòu)，任何基于摩擦發(fā)電原理的摩擦發(fā)電機傳感器都適用本發(fā)明。
[0058]使用摩擦發(fā)電機傳感器時，由于振膜120是固定的、不會隨意變化的部件，故其振膜密度、振膜厚度和振膜長度都是已知固定的數(shù)值，也即摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)是已知固定的。其中，摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)包括:振膜密度、振膜厚度和振膜長度。
[0059]恒流裝置200設置在摩擦發(fā)電機傳感器100的一側(cè)，如圖1所示，恒流裝置200設置在摩擦發(fā)電機傳感器100的右側(cè)，用于在流體進入摩擦發(fā)電機傳感器100之前恒定流體的流速。其中，恒流裝置200為現(xiàn)有技術(shù)中的恒流裝置，如壓力控制流體流速的恒流裝置，當流體流動引起流速變化時，恒流裝置自動調(diào)節(jié)壓力控制，以恒定流體流速。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際實施情況來選擇合適的恒流裝置，此處不做限定。
[0060]應當注意的是，當圖1所示的測量裝置采用圖2和圖3所示的摩擦發(fā)電機傳感器時，若流體在恒流裝置200的調(diào)節(jié)控制下，從左側(cè)流入摩擦發(fā)電機傳感器100至恒流裝置200，摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸出口與其右側(cè)的恒流裝置200的輸入口相連接;若流體在恒流裝置200的調(diào)節(jié)控制下，從右側(cè)流經(jīng)恒流裝置200后流入摩擦發(fā)電機傳感器100，摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸入口與其右側(cè)的恒流裝置200的輸出口相連接。也就是說，流體應當從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸入口輸入，從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸出口輸出，以保證摩擦發(fā)電機傳感器100的振膜140的正常振動。
[0061]數(shù)據(jù)采集處理裝置300分別與摩擦發(fā)電機傳感器100和恒流裝置200電連接，用于采集處理摩擦發(fā)電機傳感器100輸出的交流電信號和恒流裝置200輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，根據(jù)振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。
[0062]數(shù)據(jù)采集處理裝置300進一步用于:根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器100的物理參數(shù)和采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到流體密度。
[0063]具體地，流體密度與振膜密度、振膜厚度、振膜長度、振膜振動頻率和流體流速存在比例關(guān)系，其中，已知比例系數(shù)是通過實驗測得的系數(shù)。數(shù)據(jù)采集處理裝置300在得到振膜振動頻率和流體流速后，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，利用如下公式可計算得到流體密度:
[0064]pf = K ω 2
[0065]K =KpshL/U2
[0066]其中，pf為流體密度，K為已知物理參量，ω為振膜振動頻率，K為已知比例系數(shù)，ps為振膜密度，h為振膜厚度，L為振膜長度，U為流體流速。
[0067]根據(jù)本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置，在恒定流速的流體進入摩擦發(fā)電機傳感器后，數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理摩擦發(fā)電機傳感器輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，并根據(jù)振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置可實時測量流體密度，精準可靠，且其結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。同時由于其結(jié)構(gòu)簡單，致使其制作成本低廉，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0068]圖4為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，在圖1所示的實施例一的基礎(chǔ)上，流體密度的測量裝置還包括:流體源裝置400，流體源裝置400與恒流裝置200相連接，設置在恒流裝置200的右側(cè)，用于在恒流裝置200的作用下向摩擦發(fā)電機傳感器100內(nèi)注入流體。為了防止流體出現(xiàn)時斷時續(xù)的狀況，可以通過流體源裝置400進行調(diào)節(jié)控制，以保證流體持續(xù)流入恒流裝置200中，進而持續(xù)流入摩擦發(fā)電機傳感器100中。圖4所示的流體密度的測量裝置中的恒流裝置200從流體源裝置400中將持續(xù)的流體以恒定的流速吸入，使恒定流速的流體從右側(cè)流入摩擦發(fā)電機傳感器100中。
[0069]當圖4所示的測量裝置采用圖2和圖3所示的摩擦發(fā)電機傳感器時，由于流體在恒流裝置200的調(diào)節(jié)控制下，從右側(cè)流經(jīng)恒流裝置200后流入摩擦發(fā)電機傳感器100，故摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸入口與其右側(cè)的恒流裝置200的輸出口相連接。也就是說，流體源裝置400中流體從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸入口輸入，從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸出口輸出，以保證摩擦發(fā)電機傳感器100的振膜140的正常振動。
[0070]另外，流體源裝置400還可與數(shù)據(jù)采集處理裝置300電連接，用于在恒流裝置200的作用下向摩擦發(fā)電機傳感器100內(nèi)注入已知密度的流體，并輸出已知密度的流體的密度電信號至數(shù)據(jù)采集處理裝置300。數(shù)據(jù)采集處理裝置300采集處理流體源裝置400輸出的已知密度的流體的密度電信號，得到已知密度的流體的密度。
[0071]除上述不同外，圖4所示的實施例二的流體密度的測量裝置均與圖1所示的實施例一的流體密度的測量裝置相同，此處不再贅述。
[0072]圖5為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5所示的實施例三的流體密度的測量裝置與圖4所示的實施例二的流體密度的測量裝置的區(qū)別在于:流體源裝置400與摩擦發(fā)電機傳感器100相連接，設置在摩擦發(fā)電機傳感器100的左側(cè)。當圖5所示的測量裝置采用圖2和圖3所示的摩擦發(fā)電機傳感器時，由于流體在恒流裝置200的調(diào)節(jié)控制下，從左側(cè)流入摩擦發(fā)電機傳感器100至恒流裝置200，故摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸出口與其右側(cè)的恒流裝置200的輸入口相連接。也就是說，流體源裝置400中流體從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸入口輸入，從摩擦發(fā)電機傳感器100的流體輸出口輸出，以保證摩擦發(fā)電機傳感器100的振膜140的正常振動。
[0073]除上述不同外，圖5所示的實施例三的流體密度的測量裝置均與圖4所示的實施例二的流體密度的測量裝置相同，此處不再贅述。
[0074]此外，上述各個實施例中的已知比例系數(shù)是通過向上述各個實施例中的測量裝置注入已知密度的流體經(jīng)過反復實驗測得的，具體如下所述。
[0075]當向圖4和圖5中所示的流體源裝置400中注入已知密度的流體時，流體源裝置400中的已知密度的流體會通過恒流裝置200以恒定的流速注入到摩擦發(fā)電機傳感器100中。此時，由于流體源裝置400與數(shù)據(jù)采集處理裝置300電連接，因此會將已知密度的流體的密度電信號輸出至數(shù)據(jù)采集處理裝置300。數(shù)據(jù)采集處理裝置300采集處理流體源裝置400輸出的已知密度的流體的密度電信號，得到已知密度的流體的密度。因此，在得到已知密度的流體的密度和摩擦發(fā)電機傳感器100的振膜固定(即振膜密度、振膜厚度、振膜長度為固定的數(shù)值)的情況下，數(shù)據(jù)采集處理裝置300在得到振膜振動頻率和流體流速后，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，利用實施例一提出的公式，可進一步轉(zhuǎn)化計算得到已知比例系數(shù):
[0076]K = Pf/ ω 2
[0077]K=KU2/PshL
[0078]其中，κ為已知比例系數(shù)，K為已知物理參量，Pf為流體密度，ω為振膜振動頻率，Ps為振膜密度，h為振膜厚度，L為振膜長度，U為流體流速。
[0079]根據(jù)本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置，可以反復進行實驗，進一步校準修正已知比例系數(shù)，從而使對流體密度的測量更精確。當然，也可以直接將已知密度的流體的密度設置在數(shù)據(jù)采集處理裝置300中計算得到已知比例系數(shù)，或者直接將確定后的已知比例系數(shù)設置在數(shù)據(jù)采集處理裝置300中，從而避免上述測量已知比例系數(shù)的過程。
[0080]圖6為本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6所示的實施例四的流體密度的測量裝置與圖4所示的實施例二的流體密度的測量裝置的區(qū)別在于:流體源裝置400為可控壓力氣源裝置。其中，可控壓力氣源裝置400分別與摩擦發(fā)電機傳感器100和恒流裝置200相連接，還可與數(shù)據(jù)采集處理裝置300電連接。如圖6所示，摩擦發(fā)電機傳感器100和恒流裝置200設置在可控壓力氣源裝置400中，可控壓力氣源裝置400提供的氣體可以通過摩擦發(fā)電機傳感器100和恒流裝置200連接的通道流過。可控壓力氣源裝置400用于調(diào)節(jié)流體的壓強，通過恒流裝置200向摩擦發(fā)電機傳感器100內(nèi)注入不同壓強下的恒定流速的流體，并輸出對應的壓強電信號至數(shù)據(jù)采集處理裝置300。
[0081]數(shù)據(jù)采集處理裝置300進一步用于:采集處理可控壓力氣源裝置400輸出的不同壓強下的流體的壓強電信號，得到對應的不同壓強下的流體的壓強，根據(jù)不同壓強下的流體的壓強和已知物理參數(shù)，計算得到不同壓強下的流體的密度。其中，已知物理參數(shù)包括:理想氣體常數(shù)和理想氣體的熱力學溫度。
[0082]具體地，流體本身的壓強P與密度Pf間存在P= PfRT(理想氣體狀態(tài)方程)的關(guān)系，其中，R為理想氣體常數(shù)，T為理想氣體的熱力學溫度，也就是說，壓強與密度存在線性關(guān)系，可通過改變壓強達到改變密度的目的。因此，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程公式，可以計算得到不同壓強下的流體的密度。
[0083]數(shù)據(jù)采集處理裝置還進一步用于:根據(jù)不同壓強下的流體的密度、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及注入不同壓強下的流體時數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到已知比例系數(shù)。
[0084]在實際應用中已知比例系數(shù)往往需要根據(jù)實際情況進行反復實驗校準修正，為了能夠得到更加精確的流體密度，采用實施例四所示的測量裝置，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程P =PfRT，通過改變氣體壓強以改變氣體密度，進而使用如下公式測得任意密度值下的已知比例系數(shù)，進一步對已知比例系數(shù)校準修正測得更加精確的氣體密度:
[0085]K = Pf/ ω 2
[0086]K=KU2/PshL
[0087]其中，κ為已知比例系數(shù)，K為已知物理參量，Pf為流體密度，ω為振膜振動頻率，Ps為振膜密度，h為振膜厚度，L為振膜長度，U為流體流速。
[0088]根據(jù)本發(fā)明提供的流體密度的測量裝置，可以反復進行實驗，進一步校準已知比例系數(shù)，從而使對流體密度的測量更精確。
[0089]除上述不同外，圖6所示的實施例四的流體密度的測量裝置均與圖4所示的實施例二的流體密度的測量裝置相同，此處不再贅述。
[0090]應當注意的是，實施例一至實施例三的流體密度測量裝置不僅適用于氣體密度的測量，也適用于液體密度的測量;而實施例四的流體密度測量裝置僅適用于氣體密度的測量。
[0091]圖7為本發(fā)明提供的流體密度的測量方法實施例的流程圖，如圖7所示，本實施例的方法具體包括如下步驟:
[0092]步驟SlOl，利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體。
[0093]摩擦發(fā)電機傳感器包括:外殼、電極、摩擦片、振膜和振膜固定架，當有流體流過振膜時，振膜會由于失穩(wěn)而發(fā)生振動，發(fā)生振動的振膜會與摩擦片接觸摩擦，從而使得電極輸出交流電信號。使用摩擦發(fā)電機傳感器時，由于振膜是固定的、不會隨意變化的部件，故其振膜密度、振膜厚度和振膜長度都是已知固定的數(shù)值，也即摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)是已知固定的。其中，摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)包括:振膜密度、振膜厚度和振膜長度。
[0094]恒流裝置設置在摩擦發(fā)電機傳感器的一側(cè)，用于在流體進入摩擦發(fā)電機傳感器之前恒定流體的流速。恒流裝置可以采用壓力控制流體的流速，當流體流動引起流速變化時，恒流裝置自動調(diào)節(jié)壓力控制，以恒定流體流速。恒流裝置可以根據(jù)實際實施情況來選擇合適的恒流裝置，此處不做限定。
[0095]步驟S102，采集處理流體注入過程中摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速。
[0096]數(shù)據(jù)采集處理裝置與摩擦發(fā)電機傳感器和恒流裝置電連接，在流體注入過程中可以采集處理摩擦發(fā)電機傳感器輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速。
[0097]步驟S103，根據(jù)采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。
[0098]具體地，流體密度與振膜密度、振膜厚度、振膜長度、振膜振動頻率和流體流速存在比例關(guān)系，其中，已知比例系數(shù)是通過反復實驗測得的系數(shù)。數(shù)據(jù)采集處理裝置根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到流體密度。
[0099]根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到流體密度進一步包括:利用如下公式計算得到流體密度:
[0100]pf = K ω 2
[0101]K=KpshL/U2
[0102]其中，pf為流體密度，K為已知物理參量，ω為振膜振動頻率，10為已知比例系數(shù)，ps為振膜密度，h為振膜厚度，L為振膜長度，U為流體流速。
[0103]本實施例的測量方法可應用于實施例一至實施例四的測量裝置中進行測量和計算。根據(jù)本發(fā)明提供的流體密度的測量方法，在恒定流速的流體進入摩擦發(fā)電機傳感器后，數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理摩擦發(fā)電機傳感器輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，并根據(jù)振膜振動頻率和流體流速得到流體密度。本發(fā)明提供的流體密度的測量方法可實時測量流體密度，精準可靠，且其測量方法步驟簡單、易于計算。
[0104]將本實施例的測量方法應用于實施例一的測量裝置中，由于其未設置流體源裝置，故可以直接將已知密度的流體的密度設置在數(shù)據(jù)采集處理裝置中計算得到已知比例系數(shù)，或者直接將確定后的已知比例系數(shù)設置在數(shù)據(jù)采集處理裝置中，從而避免確定已知比例系數(shù)的過程。
[0105]將本實施例的測量方法應用于實施例二和實施例三的測量裝置中，在利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體之前，將已知密度的流體注入到流體源裝置中，采集處理流體源裝置輸出的已知密度的流體的密度電信號，得到已知密度的流體的密度。再通過恒流裝置將流體源裝置中的已知密度的流體注入到摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)。采集處理已知密度的流體注入過程中摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速。根據(jù)已知密度的流體的密度、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)(即振膜密度、振膜厚度、振膜長度)以及已知密度的流體注入過程中數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，利用方法實施例提出的公式，可進一步轉(zhuǎn)化計算得到已知比例系數(shù):
[0106]K = Pf/ ω 2
[0107]K=KU2/PshL
[0108]其中，κ為已知比例系數(shù)，K為已知物理參量，Pf為流體密度，ω為振膜振動頻率，Ps為振膜密度，h為振膜厚度，L為振膜長度，U為流體流速。
[0109]可選地，將本實施例的測量方法應用于實施例四的測量裝置中，在利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體之前，將流體注入到可控壓力氣源裝置中產(chǎn)生不同壓強下的流體。采集處理可控壓力氣源裝置輸出的不同壓強下的流體的壓強電信號，得到對應的不同壓強下的流體的壓強，根據(jù)不同壓強下的流體的壓強和已知物理參數(shù)(即理想氣體常數(shù)和理想氣體的熱力學溫度)，計算得到不同壓強下的流體的密度。
[0110]通過恒流裝置將不同壓強下的流體注入到摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)，采集處理不同壓強下的流體注入過程中摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速。根據(jù)不同壓強下的流體的密度、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及不同壓強下的流體注入過程中數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，參照上述已知比例系數(shù)的計算公式計算得到已知比例系數(shù)。
[0111]在實際應用中已知比例系數(shù)往往需要根據(jù)實際情況進行反復實驗校準修正，為了能夠得到更加精確的流體密度，采用實施例四的裝置，將恒流裝置和摩擦發(fā)電機傳感器置于一個可控制壓力變化的可控壓力氣源裝置中。由于氣體壓強P與氣體密度Pf存在P = PfRT(理想氣體狀態(tài)方程)，即氣體壓強和氣體密度存在線性關(guān)系，所以可以通過改變氣體壓強達到改變氣體密度的目的，從而測得任意密度值下的已知比例系數(shù)，進而對已知比例系數(shù)修正校準測得更加精確的氣體密度。
[0112]根據(jù)本發(fā)明提供的流體密度的測量方法，可以反復進行實驗，進一步校準修正已知比例系數(shù)，從而使對流體密度的測量更精確。
[0113]本發(fā)明中所提到的各種模塊、電路均為由硬件實現(xiàn)的電路，雖然其中某些模塊、電路集成了軟件，但本發(fā)明所要保護的是集成軟件對應的功能的硬件電路，而不僅僅是軟件本身。
[0114]本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解，附圖或?qū)嵤├兴镜难b置結(jié)構(gòu)僅僅是示意性的，表示邏輯結(jié)構(gòu)。其中作為分離部件顯示的模塊可能是或者可能不是物理上分開的，作為模塊顯示的部件可能是或者可能不是物理模塊。
[0115]最后，需要注意的是:以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例子，當然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行改動和變型，倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種流體密度的測量裝置，其特征在于，包括:摩擦發(fā)電機傳感器、恒流裝置和數(shù)據(jù)采集處理裝置;其中， 所述摩擦發(fā)電機傳感器包括在流體流動作用下發(fā)生振動的振膜，用于將在流體流動作用下產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)換為交流電信號； 所述恒流裝置與所述摩擦發(fā)電機傳感器相連接，用于在流體進入所述摩擦發(fā)電機傳感器之前恒定流體的流速； 所述數(shù)據(jù)采集處理裝置分別與所述摩擦發(fā)電機傳感器和所述恒流裝置電連接，用于采集處理所述摩擦發(fā)電機傳感器輸出的交流電信號和所述恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速，根據(jù)所述振膜振動頻率和所述流體流速得到流體密度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，還包括流體源裝置，所述流體源裝置與所述摩擦發(fā)電機傳感器或所述恒流裝置相連接，用于在所述恒流裝置的作用下向所述摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述摩擦發(fā)電機傳感器還包括:外殼、電極、摩擦片和振膜固定架； 所述外殼內(nèi)部形成有適于流體通過的通孔;所述電極設置在所述外殼的內(nèi)壁上;所述摩擦片設在所述電極不與所述外殼的內(nèi)壁接觸的一側(cè)表面上;所述振膜固定架架設在所述外殼的內(nèi)壁上，所述振膜固定架上設置有所述振膜； 當流體流經(jīng)所述通孔時，所述振膜發(fā)生振動與所述摩擦片不與所述電極接觸的一側(cè)表面接觸摩擦產(chǎn)生交流電信號，并通過所述電極輸出至所述數(shù)據(jù)采集處理裝置。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:根據(jù)已知比例系數(shù)、所述摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的所述振膜振動頻率和所述流體流速，計算得到所述流體密度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)包括:振膜密度、振膜厚度和振膜長度。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述流體源裝置還與所述數(shù)據(jù)采集處理裝置電連接，進一步用于:在所述恒流裝置的作用下向所述摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入已知密度的流體，并輸出所述已知密度的流體的密度電信號至所述數(shù)據(jù)采集處理裝置。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:采集處理所述流體源裝置輸出的已知密度的流體的密度電信號，得到所述已知密度的流體的密度。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:根據(jù)所述已知密度的流體的密度、所述摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及注入所述已知密度的流體時所述數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到所述已知比例系數(shù)。9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述流體源裝置為可控壓力氣源裝置，所述可控壓力氣源裝置分別與所述摩擦發(fā)電機傳感器和所述恒流裝置相連接，還與所述數(shù)據(jù)采集處理裝置電連接，用于調(diào)節(jié)流體的壓強，通過所述恒流裝置向所述摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入不同壓強下的流體，并輸出對應的壓強電信號至所述數(shù)據(jù)采集處理裝置。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:采集處理所述可控壓力氣源裝置輸出的不同壓強下的流體的壓強電信號，得到對應的不同壓強下的流體的壓強，根據(jù)所述不同壓強下的流體的壓強和已知物理參數(shù)，計算得到不同壓強下的流體的密度。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述已知物理參數(shù)包括:理想氣體常數(shù)和理想氣體的熱力學溫度。12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的流體密度的測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理裝置進一步用于:根據(jù)所述不同壓強下的流體的密度、所述摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及注入所述不同壓強下的流體時所述數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到所述已知比例系數(shù)。13.—種流體密度的測量方法，其特征在于，利用權(quán)利要求1-12任一項的流體密度的測量裝置進行測量，所述測量方法包括: 利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體； 采集處理所述流體注入過程中所述摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和所述恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速； 根據(jù)采集處理得到的所述振膜振動頻率和所述流體流速得到流體密度。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體密度的測量方法，其特征在于，所述根據(jù)采集處理得到的所述振膜振動頻率和所述流體流速得到流體密度進一步包括:根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的所述振膜振動頻率和所述流體流速，計算得到所述流體密度。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的流體密度的測量方法，其特征在于，所述摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)包括:振膜密度、振膜厚度和振膜長度。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的流體密度的測量方法，其特征在于，所述根據(jù)已知比例系數(shù)、摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)和采集處理得到的所述振膜振動頻率和所述流體流速，計算得到所述流體密度進一步包括: 利用如下公式計算得到流體密度:Pf = Kto2 K =KpshL/U2 其中，Pf為流體密度，K為已知物理參量，ω為振膜振動頻率，K為已知比例系數(shù)，Ps為振膜密度，h為振膜厚度，L為振膜長度，U為流體流速。17.根據(jù)權(quán)利要求14或15或16所述的流體密度的測量方法，其特征在于，在所述利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體之前，所述方法還包括: 將已知密度的流體注入到流體源裝置中； 采集處理所述流體源裝置輸出的已知密度的流體的密度電信號，得到所述已知密度的流體的密度；通過所述恒流裝置將所述流體源裝置中的已知密度的流體注入到所述摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)；采集處理所述已知密度的流體注入過程中所述摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和所述恒流裝置輸出的流體流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速； 根據(jù)所述已知密度的流體的密度、所述摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及所述已知密度的流體注入過程中所述數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到所述已知比例系數(shù)。18.根據(jù)權(quán)利要求14或15或16所述的流體密度的測量方法，其特征在于，流體源裝置為可控壓力氣源裝置，在所述利用恒流裝置向摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)注入流體之前，所述方法還包括: 將流體注入到所述可控壓力氣源裝置中產(chǎn)生不同壓強下的流體； 采集處理所述可控壓力氣源裝置輸出的不同壓強下的流體的壓強電信號，得到對應的不同壓強下的流體的壓強，根據(jù)所述不同壓強下的流體的壓強和已知物理參數(shù)，計算得到不同壓強下的流體的密度； 通過所述恒流裝置將所述不同壓強下的流體注入到所述摩擦發(fā)電機傳感器內(nèi)； 采集處理所述不同壓強下的流體注入過程中所述摩擦發(fā)電機傳感器的振膜振動輸出的交流電信號和所述恒流裝置輸出的流體的流速電信號，分別對應得到振膜振動頻率和流體流速； 根據(jù)所述不同壓強下的流體的密度、所述摩擦發(fā)電機傳感器的物理參數(shù)以及所述不同壓強下的流體注入過程中所述數(shù)據(jù)采集處理裝置采集處理得到的振膜振動頻率和流體流速，計算得到所述已知比例系數(shù)。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的流體密度的測量方法，其特征在于，所述已知物理參數(shù)包括:理想氣體常數(shù)和理想氣體的熱力學溫度。
【文檔編號】G01N9/00GK105987859SQ201610255093
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】刁海豐, 鐘強, 孫利佳, 趙豪
【申請人】納智源科技（唐山）有限責任公司