一种石英管空管共振频率的检测系统

1.本发明涉及密度测量技术领域，具体为一种石英管空管共振频率的检测系统。


背景技术：

2.密度测量在工业、农业生产中需求广泛，模拟测量方法造价较贵，且设备由许多pcb板叠加而成使用不方便。现在振动管式液体密度计发展很快，国外已有许多成型产品供应市场。
3.在目前的工业中行业中密度测量广泛用于石油产品的密度和质量计量；机电行业中的绝缘油、切削液、润滑油、蓄电池溶液等的密度监测；制药和食品工业中的药品、饮料、牛奶、植物油等的密度控制等众多领域，而企业中所使用的为模拟电路测量方法，通过多层pcb电路板连接所成，造价相对昂贵，体积较大，使用不方便，虽然国内有关振动管式密度计的研究发展较慢，虽有少数成型产品，但品种单一，测量精度低，为此我们提出了一种石英管空管共振频率的检测系统来解决这个问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种石英管空管共振频率的检测系统，解决了上述背景所提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石英管空管共振频率的检测系统，包括主控芯片，所述主控芯片的一个输入端信号连接有温度传感器，所述主控芯片的另一个输入端信号连接有屏幕，所述主控芯片的输出端信号连接有石英管；
6.所述石英管为u型振动管，所述石英管包括谐振腔、永磁柱、激振器；
7.所述石英管空管共振频率的检测系统的实现方案包括以下步骤：
8.s1：采用主控芯片来调用温度传感器获得当前的环境温度；
9.s2：利用主控芯片激发脉宽调制脉冲波在石英管中通过共振产生共振正弦波；
10.s3：通过激振器读取主控芯片在共振时所得的共振正弦波，并比较该正弦波的峰值，继而可以获得所检测到的最大共振幅值下最大共振频率，同时通过改变分频因子可以实现读取的采样速率；
11.s4：对于激发最大共振频率的选择运算：
12.对检测到的最大共振幅值及左右两端次大幅值所对应的激发频率进行软件补偿，进行加权因子运算；
13.s5：将通过上述步骤所得到的共振频率作为密度转换运算公式的参数用于之后的密度转化运算当中；
14.s6：调用传感器所获得的数值通过公式进行密度转换：
15.由谐振理论可知，振动管固有频率是由其弹性系数和振动质量决定的，即：
16.当振动管内有、无液体时的系统固有频率分别为：
[0017][0018]
所以根据上式有：
[0019][0020]
将上述ρ
x
公式转换为运算代码供主控芯片进行密度转换，得到实时液体密度；
[0021]
s7：对获得的密度值进行实时显示。
[0022]
优选的，所述温度传感器采用的是热电偶式温度传感器。
[0023]
优选的，所述主控芯片采用arduino作为主控开发板。
[0024]
优选的，所述谐振腔的数量为两个，位于右侧的谐振腔与永磁柱吸附粘接，所述永磁柱与激振器安装。
[0025]
优选的，上述步骤中的读取方法有两种，分别为使用均方根方法、使用快速傅里叶变换进行离散傅里叶变换间接得到最大幅值方法。
[0026]
优选的，上述步骤中的f为振动管的固有振动频率；k为振动管的弹性模量；i为振动管的截面惯性矩；m为振动管的质量；δm振动管内的液体质量；tx为振动管内装满液体后的谐振周期；t0为振动管空振时的谐振周期；c为常数；d为振动管的外径；d为振动管的内径；l为参与振动的有效长度；ρ0为管材密度；ρ
x
为液体密度。
[0027]
优选的，屏幕采用0.96寸oled屏幕作为显示数据的显示屏。
[0028]
本发明提供了一种石英管空管共振频率的检测系统。该石英管空管共振频率的检测系统具备以下有益效果：
[0029]
(1)、该石英管空管共振频率的检测系统，温度传感器采用热电偶式温度传感器可以在测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出，使用十分方便，且该热电偶式温度传感器的测温范围很广：-270℃～2500℃，并具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
[0030]
(2)、该石英管空管共振频率的检测系统，通过对不同液体在石英管中的不同共振频率特性与环境温度等作为参数进行数字化实时密度转换，在得到同样密度精度的同时可以缩减经费预算，且使用更加方便，在不同工农业应用场景下具有很好的使用效果。
[0031]
(3)、该石英管空管共振频率的检测系统，通过安装的激振器能为石英管发生微型位移提供激振力，同时能获取石英管的位移信息，永磁柱与电磁线圈之间距离的变化使得磁通量发生改变,使得电磁线圈产生电动势，通过电磁感应原理将位移信号转化为可检测的电信号传给主控芯片处理，实现使用方便的目的。
附图说明
[0032]
图1为本发明系统流程结构示意图；
[0033]
图2为本发明石英管结构示意图。
[0034]
图中：1主控芯片、2温度传感器、3屏幕、4石英管、401谐振腔、402永磁柱、403激振器。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0036]
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0037]
如图1-2所示，本发明提供一种技术方案：一种石英管空管共振频率的检测系统，包括主控芯片1，主控芯片1arduino作为主控开发板，主控芯片1的一个输入端信号连接有温度传感器2，温度传感器2采用的是热电偶式温度传感器，采用热电偶式温度传感器可以在测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出，使用十分方便，且该热电偶式温度传感器的测温范围很广：-270℃～2500℃，并具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点，主控芯片1的另一个输入端信号连接有屏幕3，屏幕3采用0.96寸oled屏幕作为显示数据的显示屏，主控芯片1的输出端信号连接有石英管4；
[0038]
石英管4为u型振动管，石英管4的几何尺寸、形状和材质都是一定的，石英管4包括谐振腔401、永磁柱402、激振器403，谐振腔402的数量为两个，位于右侧的谐振腔402与永磁柱402吸附粘接，永磁柱402与激振器403安装，通过安装的激振器403能为石英管4发生微型位移提供激振力，同时能获取石英管4的位移信息，永磁柱402与电磁线圈之间距离的变化使得磁通量发生改变,使得电磁线圈产生电动势，通过电磁感应原理将位移信号转化为可检测的电信号传给主控芯片1处理，实现使用方便的目的；
[0039]
石英管空管共振频率的检测系统的实现方案包括以下步骤：
[0040]
s1：采用主控芯片1来调用温度传感器2获得当前的环境温度；
[0041]
s2：利用主控芯片1激发脉宽调制脉冲波在石英管4中通过共振产生共振正弦波，该步骤中需要石英管4、主控芯片1作为实验发生装置，该步骤中的振动管式密度检测是数字化实现密度测量，实现基本原理为：物体的固有振动频率仅由振动系统的质量决定，振动系统由振动管及管内的液体组成，振动管的质量固定不变，振动管内的液体质量取决于液体密度，因此测出振动管的固有振动频率即可计算出液体密度，其中石英管固有振动频率的确定需要主控芯片提供不同频率脉冲波；
[0042]
s3：通过激振器403读取主控芯片1在共振时所得的共振正弦波，并比较该正弦波的峰值，继而可以获得所检测到的最大共振幅值下最大共振频率，同时通过改变分频因子可以实现读取的采样速率，该步骤中的读取方法有两种：1、使用均方根方法：均方根方法是将所采集的离散型的采样点值计算得出电压电流的幅值，该方法不区分系统中的谐波干扰分量，得到是整体的有效值。此方法采用多个周期计算一次，在一周期计算一次的情况下，将采样点的采样值先进行平方计算，然后将一个周期的n点采样值的平方顺序相加，然后将所得的n点采样值的平方和除以n再开方，从而得到所检测正弦波有效值继而进行比较获得最大共振幅值；2、使用快速傅里叶变换进行离散傅里叶变换间接得到最大幅值方法；由于主控芯片1选择的不同，芯片的性能也不相同，为了平衡检测实时性，检测精度的问题，因此这里选择使用均方根的方法；
[0043]
s4：对于激发最大共振频率的选择运算：
[0044]
对检测到的最大共振幅值及左右两端次大幅值所对应的激发频率进行软件补偿，进行加权因子运算；
[0045]
s5：将通过上述步骤所得到的共振频率作为密度转换运算公式的参数用于之后的密度转化运算当中；
[0046]
s6：调用传感器所获得的数值通过公式进行密度转换：
[0047]
由谐振理论可知，振动管固有频率是由其弹性系数和振动质量决定的，即：其中，f为振动管的固有振动频率；k为振动管的弹性模量；i为振动管的截面惯性矩；m为振动管的质量；
[0048]
当振动管内有、无液体时的系统固有频率分别为：
[0049]
其中，δm振动管内的液体质量；
[0050]
所以根据上式有：
[0051]
其中，tx为振动管内装满液体后的谐振周期；t0为振动管空振时的谐振周期；c为常数；d为振动管的外径；d为振动管的内径；l为参与振动的有效长度；ρ0为管材密度；ρ
x
为液体密度；
[0052]
将上述ρ
x
公式转换为运算代码供主控芯片1进行密度转换，得到实时液体密度；
[0053]
s7：对获得的密度值进行实时显示，为了更好的显示实验内容及实验数据供使用者使用，现在将激发共振方波激发频率、检测到的实时环境温度、检测到的共振正弦信号峰峰值，经过转所得密度值四组数据显示在屏幕上。
[0054]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。