一种悬臂梁式流体密度计及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于流体密度检测技术领域，具体涉及一种悬臂梁式流体密度计及其检测 方法。
【背景技术】
[0002] 市场上检测流体密度的仪器多种多样，主要有振动管式流体密度计、射线式流体 密度计、浮子式流体密度计和静压式流体密度计等，其中检测精度高、稳定性强、检测效率 高、使用寿命长的密度检测仪器是振动管式流体密度计，该种密度计的检测原理是振动管 及其内部的待测流体的质量与二者组成的系统的固有频率有确定的函数关系，当对振动管 及其内部待测流体组成的系统施加激振力使其保持共振状态时，通过检测此时激振力的激 振频率便可由确定的函数关系计算出振动管内部待测流体的密度。市场上大部分振动管式 流体密度计中振动管的两端与固定架之间采用的是刚性连接一一焊接，当振动管式流体密 度计受到的外界振动过于剧烈时，其内部振动管的振动便会受到外界振动的影响，从而使 得检测的流体的密度不准确。
[0003] 吕发和张小章在《单直管振动式流体密度计性能实验研究》（《核动力工程》，2012 年6月，第33卷增刊1，19-22.)中提出了一种单直管振动式流体密度计，该密度计中振动 管的两端与固定架之间采用的是波纹管连接，能够有效地减小外界振动对该密度计检测精 度的影响，但是，该种密度计的检测原理仍然是传统的振动管式流体密度计的检测原理，其 实现对流体的密度进行检测的核心部件仍是振动管，虽然能够降低外界振动对振动管振动 的影响，但却不能够显著降低甚至完全消除外界振动对其检测精度的影响，此外，由于传统 的振动管式流体密度计检测流体的密度的核心部件是振动管，当使用传统的振动管式流体 密度计检测流体的密度时，为了保证较高的检测精度和检测值的稳定性，振动管式流体密 度计内部的振动管的形状、结构和性能参数等均应固定不变，然而，当被检测的流体的温度 及压力发生变化时，均会使得振动管的结构、尺寸等发生一定程度的变化，进而影响振动管 的刚度，最终会导致振动管式流体密度计的检测精度降低，致使检测的流体密度值出现较 大误差。
【发明内容】
[0004] 为了克服以上技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种悬臂梁式 流体密度计及其检测方法，其能够显著降低甚至完全消除外界振动、待测流体温度及压力 变化等因素对流体密度检测精度的影响。
[0005] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种悬臂梁式流体密度计，其特征 是，包括壳体、测量管、第一波纹管、第二波纹管、流体入口法兰、流体出口法兰、悬臂梁、紧 固装置、激振器和拾振器；所述壳体为密封的长方体壳体，壳体的左壁上开有第一通孔，所 述第一通孔的圆心位于壳体左壁的垂直中心线上，壳体的右壁上开有第二通孔，所述第二 通孔的圆心位于壳体右壁的垂直中心线上，壳体左壁的垂直中心线和壳体右壁的垂直中心 线位于同一垂直平面中；所述第一波纹管的一端通过法兰与第一通孔连接，第一波纹管的 另一端通过法兰与测量管的一端连接，所述第二波纹管的一端通过法兰与第二通孔连接， 第二波纹管的另一端通过法兰与测量管的另一端连接；所述流体入口法兰设置在壳体左壁 上第一通孔处，流体入口法兰与壳体为一体化结构且与第一通孔同轴，所述流体出口法兰 设置在壳体右壁上第二通孔处，流体出口法兰与壳体为一体化结构且与第二通孔同轴；所 述紧固装置设置在壳体的上壁上；所述悬臂梁上端穿过壳体设置在紧固装置中，下端固定 在测量管上，且悬臂梁的轴线穿过紧固装置的几何中心并垂直于测量管的轴线；所述的激 振器和拾振器均设置在壳体内底壁上，且激振器和拾振器关于测量管对称设置。
[0006] 优选地，所述紧固装置包括前紧固装置、后紧固装置和第四通孔，所述的前紧固装 置和后紧固装置通过螺栓连接，所述第四通孔的轴线经过所述的紧固装置的几何中心并垂 直于所述测量管的轴线，所述悬臂梁的上端设置在第四通孔内且与第四通孔过盈配合；所 述的前紧固装置和后紧固装置分别通过螺栓固定在壳体的上壁上。
[0007] 优选地，所述悬臂梁由上圆柱和下圆柱组成，所述上圆柱设置在紧固装置中，所述 下圆柱的上端与上圆柱的下端固定连接，下圆柱的下端开有第三通孔；所述测量管穿过第 三通孔且与第三通孔过盈配合。
[0008] 优选地，所述悬臂梁的上圆柱和下圆柱为一体化结构，且上圆柱的直径大于下圆 柱的直径。
[0009] 优选地，所述悬臂梁为横截面是矩形的柱体，悬臂梁的下端通过夹紧装置与测量 管连接，所述夹紧装置通过螺栓固定在悬臂梁上。
[0010] 优选地，所述夹紧装置包括第一夹紧装置和第二夹紧装置，第一夹紧装置和第二 夹紧装置通过螺栓固定在悬臂梁上，夹紧装置内开设有第五通孔，所述测量管穿过第五通 孔且与第五通孔过盈配合。
[0011] 优选地，所述壳体和紧固装置的刚度远大于所述悬臂梁的刚度。
[0012] 优选地，所述悬臂梁的数量可以为多根，两根及两根以上数量的悬臂梁沿测量管 的轴向方向且关于测量管的中间横截面平面对称分布设置。
[0013] 当上述所述的一种悬臂梁式流体密度计的悬臂梁的数量为一根时，本发明还提了 一种悬臂梁式流体密度检测方法，其特征是，所述检测方法包括以下过程：
[0014] 以悬臂梁的轴线与测量管的轴线的交点为坐标原点，以激振器的轴线为X轴，以 测量管的轴线为y轴，以悬臂梁的轴线为z轴建立空间直角坐标系；
[0015] 测量管中流体的密度与固有频率的关系式为：
[0016]
[0017] 式中，k为悬臂梁的刚度，M为测量管和悬臂梁的质量和，m为测量管中流体的质 量，P为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，1为测量管的长度，f为由悬 臂梁和测量管及其内流体组成的系统的固有频率，α为与由悬臂梁和测量管及其内流体组 成的系统的振动有关的常数；
[0018] 测出由悬臂梁和测量管及其内流体组成的系统的固有频率f后，将固有频率f代 入测量管中流体的密度与固有频率的关系式中求得测量管中流体的密度。
[0019] 当上述所述的一种悬臂梁式流体密度计的悬臂梁的数量为两根及两根以上时，本 发明还提供了一种悬臂梁式流体密度检测方法，其特征是，所述检测方法包括以下过程：
[0020] 首先将两根或两根以上的悬臂梁等效为一根悬臂梁，然后以一根悬臂梁的检测方 法来对流体密度进行检测；
[0021] 以等效悬臂梁的轴线与测量管的轴线的交点为坐标原点，以激振器的轴线为X 轴，以测量管的轴线为y轴，以等效悬臂梁的轴线为Z轴建立空间直角坐标系；
[0022] 测量管中流体的密度与固有频率的关系式为：
[0023]
[0024] 式中，k为等效悬臂梁的刚度，M为测量管和等效悬臂梁的质量和，m为测量管中流 体的质量，P为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，1为测量管的长度，f为 由等效悬臂梁和测量管及其内流体组成的系统的固有频率，α为与由等效悬臂梁和测量管 及其内流体组成的系统的振动有关的常数；
[0025] 测出由等效悬臂梁和测量管及其内流体组成的系统的固有频率f后，将固有频率 f代入测量管中流体的密度与固有频率的关系式中求得测量管中流体的密度。
[0026] 本发明的有益效果是：本发明的测量管的两端分别通过一个波纹管与壳体连接， 能够有效地减小外界振动对该流体密度计检测精度的影响；通过将悬臂梁的上端固定在设 置壳体上壁上紧固装置的通孔内，避免了流体密度计受到的外界振动过于剧烈时导致内部 悬臂梁的振动便会受到外界振动的影响现象发生，从而使得检测的流体的密度更加准确； 由于流体密度计的壳体和紧固装置的刚度远大于悬臂梁的刚度，避免了悬臂梁与壳体和紧