本发明公开了一种悬臂梁式流体密度计及其检测方法，悬臂梁式流体密度计包括壳体、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；检测方法为通过弹性力学理论得悬臂梁和测量管及其内流体组成的系统的固有频率，然后求取测量管中流体的密度。本发明通过采用悬臂梁来测量流体的密度，不仅能够最大限度地消除外界振动对流体密度检测精度的影响，并且检测精度高，同时，在使用该悬臂梁式流体密度计检测流体的密度时，其检测精度不受流体温度及压力变化的影响。
1.一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第一法兰与第一通孔连接，第一波纹管的另一端通过第二法兰与测量管的一端连接，所述第二波纹管的一端通过第三法兰与第二通孔连接，第二波纹管的另一端通过第四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。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式流体密度计，其特征是，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。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式流体密度计，其特征是，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。
4.根据权利要求3所述的一种悬臂梁式流体密度计，其特征是，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。
5.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式流体密度计，其特征是，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。
6.根据权利要求5所述的一种悬臂梁式流体密度计，其特征是，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。
7.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式流体密度计，其特征是，所述壳体和紧固装置的刚度远大于所述悬臂梁的刚度。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种悬臂梁式流体密度计，其特征是，所述悬臂梁的数量为多根，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。
9.一种悬臂梁式流体密度检测方法，其特征是，利用权利要求1至7任一项所述的一种悬臂梁式流体密度计对流体密度进行检测，所述检测方法包括以下过程：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；
式中，k为悬臂梁的刚度，M为测量管和悬臂梁的质量和，ρ为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，l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；
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。
10.一种悬臂梁式流体密度检测方法，其特征是，利用权利要求8所述的一种悬臂梁式流体密度计对流体密度进行检测，所述检测方法包括以下过程：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；
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；
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，ρ为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，l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；
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。
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——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第一法兰与第一通孔连接，第一波纹管的另一端通过第二法兰与测量管的一端连接，所述第二波纹管的一端通过第三法兰与第二通孔连接，第二波纹管的另一端通过第四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，ρ为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，l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，ρ为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，l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固装置产生共振现象从而使悬臂梁的刚度发生变化最终导致流体密度计的检测精度降低的现象发生。
[0027] 本发明通过采用悬臂梁来测量流体的密度，不仅能够最大限度地消除外界振动对流体密度检测精度的影响，并且检测精度高，同时，在使用该悬臂梁式流体密度计检测流体的密度时，其检测精度不受流体温度及压力变化的影响。
附图说明
[0028] 图1是本发明实施例1的整理结构示意图；
[0029] 图2是本发明实施例1的俯视结构示意图；
[0030] 图3是本发明实施例1的主视剖面图；
[0031] 图4是本发明实施例1的俯视剖面图；
[0032] 图5是本发明实施例1的左视剖面图；
[0033] 图6是图3中第一波纹管的放大示意图(即图3中B处的5倍放大图)；
[0034] 图7是本发明所述紧固装置的放大示意图(5倍放大图)；
[0035] 图8是本发明所述悬臂梁的结构示意图；
[0036] 图9是本发明横截面是矩形时悬臂梁与夹紧装置和测量管的连接示意图；
[0037] 图10是本发明所述夹紧装置的结构示意图；
[0038] 图11是本发明实施例2的整理结构示意图；
[0039] 图12是本发明实施例2的主视剖面图；
[0040] 图13是本发明实施例2的左视剖面图；
[0041] 图中：1壳体、2测量管、3第一波纹管、4第二波纹管、5流体入口法兰、6流体出口法兰、7悬臂梁、701上圆柱、702下圆柱、703第三通孔、8紧固装置、801前紧固装置、802后紧固装置、803第四通孔、9激振器、10拾振器、11第一通孔、12第二通孔、13夹紧装置、1301第一夹紧装置、1302第二夹紧装置、1303第五通孔。
具体实施方式
[0042] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
[0043] 实施例1
[0044] 如图1至图10所示，本发明的一种悬臂梁式流体密度计，它包括壳体1、测量管2、第一波纹管3、第二波纹管4、流体入口法兰5、流体出口法兰6、悬臂梁7、紧固装置8、激振器9和拾振器10；所述壳体1为密封的长方体壳体，壳体的左壁上开有第一通孔11，所述第一通孔11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12，所述第二通孔12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3的一端通过第一法兰与第一通孔11连接，第一波纹管
3的另一端通过第二法兰与测量管2的一端连接，所述第二波纹管4的一端通过第三法兰与第二通孔12连接，第二波纹管4的另一端通过第四法兰与测量管2的另一端连接，将测量管2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；所述流体入口法兰5设置在壳体左壁上第一通孔处，流体入口法兰5与壳体为一体化结构且与第一通孔11同轴，所述流体出口法兰6设置在壳体右壁上第二通孔处，流体出口法兰6与壳体为一体化结构且与第二通孔12同轴；所述紧固装置8设置在壳体1的上壁上；
所述悬臂梁7上端穿过壳体设置在紧固装置8中，下端固定在测量管2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9和拾振器10均设置在壳体内底壁上，且激振器9和拾振器10关于测量管对称设置。
[0045] 优选地，如图7所示，本发明所述的紧固装置8包括前紧固装置801、后紧固装置802和第四通孔803，所述的前紧固装置801和后紧固装置802通过螺栓连接，所述第四通孔803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2的轴线，所述悬臂梁7的上端设置在第四通孔803内且与第四通孔过盈配合；所述的前紧固装置801和后紧固装置802分别通过螺栓固定在壳体的上壁上。本发明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。
[0046] 优选地，如图8所示，本发明所述的悬臂梁7由上圆柱701和下圆柱702组成，所述上圆柱701设置在紧固装置8中，所述下圆柱702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703；所述测量管2穿过第三通孔703且与第三通孔过盈配合。其中，所述悬臂梁的上圆柱701和下圆柱702为一体化结构，且上圆柱的直径大于下圆柱的直径。
[0047] 优选地，如图9所示，本发明所述的悬臂梁7为横截面是矩形的柱体，悬臂梁7的下端通过夹紧装置13与测量管2连接，所述夹紧装置13通过螺栓固定在悬臂梁7上。
[0048] 优选地，如图10所示，所述夹紧装置13包括第一夹紧装置1301和第二夹紧装置1302，第一夹紧装置1301和第二夹紧装置1302通过螺栓固定在悬臂梁上，夹紧装置内开设有第五通孔1303，所述测量管2穿过第五通孔1303且与第五通孔过盈配合。
[0049] 优选地，本发明所述壳体1和紧固装置8的刚度远大于所述悬臂梁7的刚度，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固装置产生共振现象从而使悬臂梁的刚度发生变化最终导致流体密度计的检测精度降低的现象发生。
[0050] 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，本发明所述悬臂梁式流体密度计对流体密度进行检测的检测方法包括以下过程：
[0051] 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；
[0052] 测量管中流体的密度与固有频率的关系式为：
[0053]
[0054] 式中，k为悬臂梁的刚度，M为测量管和悬臂梁的质量和，ρ为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，l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；
[0055] 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。
[0056] 实施例2
[0057] 本发明所述悬臂梁7采用多根，当采用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。如图11至图13所示，在实施例2中以悬臂梁7采用两根为例进行说明。
[0058] 所述的紧固装置甲4、紧固装置乙8与所述的壳体3为一个整体，紧固装置甲4和紧固装置乙8关于壳体3的上壁的中间纵截面对称；
[0059] 与实施例1不同的是：将实施例1中的悬臂梁4的数量由一根改为两根，对应的紧固装置8也由一个变为两个；两根悬臂梁7沿测量管2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，两个紧固装置8分别对应设置在悬臂梁7的上方且关于壳体1上壁的中间纵截面平面对称。
[0060] 当本发明所述的一种悬臂梁式流体密度计的悬臂梁的数量为两根时，本发明所述悬臂梁式流体密度计对流体密度进行检测的检测方法包括以下过程：
[0061] 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；
[0062] 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；
[0063] 测量管中流体的密度与固有频率的关系式为：
[0064]
[0065] 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，ρ为流体的密度，d为测量管的内径，D为测量管的外径，l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；
[0066] 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。
[0067] 上述改动后的方案也明显具有有效地消除外界振动、流体温度及压力变化等因素对所述的悬臂梁式流体密度计检测精度的影响的优点。
[0068] 本发明不仅有效减小或消除外界振动、流体温度及压力变化对密度检测值的影响，而且提高了对流体密度的检测精度。
[0069] 此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
