U型振动管式密度计及油品标准密度计算方法

技术领域

本发明涉及油品密度检测领域，尤其涉及一种U型振动管式密度计及油品标准密度计算方法。

背景技术

油品密度是指单位体积油品的质量，油品密度与油品的化学组成有密切的内在联系，油品密度作为油品化验的重要指标，在炼厂工艺设计和生产、油品储运、产品计量等方面都经常用到油品密度，尤其是在油品日常管理工作中，测量油品密度是对油品的数量和质量监管的必要工作，对于油品贸易来说，油品的密度也是交易中确认油品数量的重要依据之一。因此，为方便油品的监督、管理和交易，我国规定油品在20℃时的密度为标准密度，并将标准密度作为油品质量标准中规定的密度指标，通常油品化验时都需将测量的密度转换为标准密度，而油品密度作为油品本身的一种特性，主要受温度的影响而变化，当温度升高时，油品体积增大，其密度就会减小，相反温度降低，油品密度增大。

目前，确定油品密度通常使用振动管式密度计，其中，按照振动管结构分类，主要有单管式、双管式和U形管式三种，但是，现有的振动管式密度计不仅结构设计复杂，并且体积较大，携带并不方便。而且在-18℃以下的温度范围内无法通过U形振动管法计算得出油品的标准密度，无法适应某些寒冷地区的工作需要，实现满足野外环境快速测量的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种U型振动管式密度计及油品标准密度计算方法，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提出一种U型振动管式密度计，包括：底座、U型振动管和振荡频率传感器，所述U型振动管与所述底座固定连接，所述振荡频率传感器设置于所述U型振动管和所述底座的连接处；所述振荡频率传感器设置有信号采集处理模块，所述信号采集处理模块内部集成一阻抗测量芯片；

所述阻抗测量芯片的输出端用于发射预设频率的激励信号，所述U型振动管根据所述激励信号进行振动，并将振动信号返回至所述阻抗测量芯片的输入端，所述阻抗测量芯片用于根据所述振动信号，得到所述U型振动管的共振频率点。

在一种实施例中，所述信号采集处理模块还包括激励信号放大单元和振动信号放大单元；

所述激励信号放大单元的输入端连接所述阻抗测量芯片的输出端，所述激励信号放大单元的输出端连接所述U型振动管；所述振动信号放大单元的输入端连接所述U型振动管，所述振动信号放大单元的输出端连接所述阻抗测量芯片的输入端；

所述激励信号放大单元用于放大所述激励信号，所述振动信号放大单元用于放大所述振动信号。

在一种实施例中，U型振动管式密度计还包括控制器，所述控制器连接所述阻抗测量芯片，所述控制器用于控制所述U型振动管振动的开始和停止。

在一种实施例中，所述U型振动管通过激光焊接方式与所述底座固定连接，并且所述U型振动管与所述底座的平面呈垂直设置。

第二方面，本发明实施例提出一种应用于上述U型振动管式密度计的油品标准密度计算方法，包括：

基于所述U型振动管式密度计，确定当前温度下油品的测量密度；

基于标准密度计算公式，计算所述油品的标准密度；其中，所述标准密度计算公式为ρ

在一种实施例中，所述基于所述U型振动管式密度计，确定当前温度下油品的测量密度之前，还包括：

基于所述U型振动管式密度计，确定至少两种预设温度下所述油品的测量密度；

采用非线性最小二乘法对所有预设温度下的所述测量密度进行非线性曲线拟合，确定所述标准密度计算公式。

在一种实施例中，所述预设温度的范围为-35℃～35℃。

在一种实施例中，所述油品标准密度计算方法还包括：

对不同预设温度下的所述测量密度进行回归拟合，分别得到各个所述预设温度对应的k值；

根据多个所述k值，创建密度修正系数表；

根据所述密度修正系数表和预设公式，计算所述当前温度下的k值。

在一种实施例中，所述预设公式为：

其中，t′为密度测定时的所述当前温度，所述k

在一种实施例中，所述根据所述密度修正系数表和预设公式，计算所述当前温度下的k值，包括：

根据所述当前温度，确定第一温度和第二温度；

根据所述密度修正系数表，分别得到所述第一温度对应的第一k值和所述第二温度对应的第二k值；

通过所述第一温度、所述第二温度、所述第一k值和所述第二k值，计算所述当前温度下的k值。

本发明实施例提出一种U型振动管式密度计以及应用于U型振动管式密度计的宽温度范围内的油品标准密度计算方法，通过使用阻抗测量芯片，便能够实现发射激励信号和接收振动信号的一体化，从而达到共振频率点的快速采集，进而实现了密度测量，并且工艺结构简单，携带方便，能够适应某些寒冷地区的工作需要，实现满足野外环境对油品密度快速测量的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本发明实施例提供的U型振动管式密度计的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的阻抗测量芯片的电路图；

图3示出了本发明实施例提供的激励信号放大单元的电路图；

图4示出了本发明实施例提供的振动信号放大单元的电路图；

图5示出了本发明实施例提供的油品标准密度计算方法的流程示意图；

图6示出了本发明实施例提供的15℃、20℃和25℃的拟合分析图。

主要元件符号说明：

10-底座，20-U型振动管，30-振荡频率传感器，40-头部固件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

目前，按照振动管结构分类，主要有单管式、双管式和U形管式三种振动管密度计。测量原理都是通过当液体流经振动管时，共振频率发生改变，通过测定共振频率点就可以得到待测油品的密度。相比于单管式和双管式，U形管式的结构起振容易，并且稳定性更高。

实施例1

请参照图1，本发明实施例提供了一种U型振动管式密度计，包括：底座10、U型振动管20和振荡频率传感器30。

其中，所述U型振动管20通过焊接的方式与所述底座10固定连接，所述振荡频率传感器30通过粘贴的方式设置于所述U型振动管20和所述底座10的连接处，所述U型振动管20包括两根振动管，所述U型振动管20的一端固定连接所述底座10，所述U型振动管20的另一端与头部固件40灵活连接，打开所述头部固件40，在所述U型振动管20中注入待检测的油品，注入完成后，利用所述头部固件40关闭所述U型振动管20的液体入口，以使所述U型振动管20结合所述振荡频率传感器30完成油品密度的检测，可选的，本实施例中U型振动管20可以选择不锈钢材料制成，也可以使用玻璃材质制成，具体的制成材料可以根据实际情况进行选择，在此不做限定。

具体地，所述振荡频率传感器30粘贴于所述U型振动管20和所述底座10的连接处，其中，所述振荡频率传感器30设置有信号采集处理模块，所述信号采集处理模块内部集成一阻抗测量芯片。本实施例中的所述振荡频率传感器30实质上是激励振荡发生器和振动频率接收器的集成，当然，也可以将激励振荡发生器和振动频率接收器分开分别进行设置。

可以理解，所述阻抗测量芯片既作为激励振荡发生器，通过所述阻抗测量芯片的输出端用于发射预设频率的激励信号，所述U型振动管20根据所述激励信号进行振动，并将振动信号返回至所述阻抗测量芯片的输入端，所述阻抗测量芯片也作为振动频率接收器通过所述阻抗测量芯片用于根据所述振动信号，得到所述U型振动管20的共振频率点。

示范性地，所述阻抗测量芯片可以使用AD5933，还可以使用AD594x系列，具体芯片的使用，可以根据实际情况进行选择，这里不做限定。请参照图2，本实施例示出了阻抗测量芯片AD5933的一种相关电路设计，AD5933的使用是成熟的现有技术，这里不再赘述。本实施例充分利用阻抗测量芯片的阻抗谱检测功能，避免了复杂的阻抗谱信号发生、调理硬件电路设计。所述阻抗测量芯片的输出端发射出的激励信号能够引起U形振动管20的振动，从而产生振动信号，振动信号经过所述阻抗测量芯片的阻抗分析引擎后，能够快速准确地得到振动信号的实部和虚部值，进而计算出振动信号的幅值，再判断最大幅值对应的频率，以此频率为中心频率，对各个频率进行扫描，最终确定振动信号的最大幅值对应的频率点，该频率点即为U形振动管20的共振频率点，进而能够根据共振频率点实现密度测定，可以理解，不同密度的物质通过U型振动管20，其振荡频率传感器30采集到的频率不同。根据共振频率点实现密度测定已经成熟且公开的技术，这里不再赘述。

在一种实施例中，所述信号采集处理模块还包括激励信号放大单元，所述激励信号放大单元用于放大所述激励信号；所述信号采集处理模块还包括振动信号放大单元，所述振动信号放大单元用于放大所述振动信号。

具体地，所述激励信号放大单元的输入端连接所述阻抗测量芯片的输出端，所述激励信号放大单元的输出端连接所述U型振动管20；所述振动信号放大单元的输入端连接所述U型振动管20，所述振动信号放大单元的输出端连接所述阻抗测量芯片的输入端。

其中，激励信号放大单元和所述振动信号放大单元均可以使用OPAx197系列的运算放大器，例如，具体可以使用OPA197，OPA2197或者OPA4197等，具体的使用型号可以根据视实际情况而定，这里不做限定。请参照图3和图4，本实施例分别示出了激励信号放大单元的一种电路图和振动信号放大单元的一种电路图，均使用了OPA197设计相关电路，来实现信号放大，OPA197的使用及其相关放大电路的设计均为现有技术，这里不做赘述。

在一种实施例中，U型振动管式密度计还包括控制器，所述控制器通过通讯接口连接所述阻抗测量芯片，所述控制器用于控制所述U型振动管20振动的开始和停止。

具体地，控制器相当于指挥中心，当U型振动管式密度计中加入相关待测量油品后，控制器能够控制所述阻抗测量芯片进行激励信号的输出。示范性地，控制器可以使用单片机，还可以使用MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)。

进一步地，可以通过调整所述阻抗测量芯片的晶振频率，并通过控制器设置扫频步距，来使得本实施例中的所述信号采集处理模块的最小频率分辨率更低。示范性地，当晶振频率为16MHz时，设置扫频步距对应的寄存器值为最小0x000001，假设，对应扫频对应频率步距为X，则：

由此，最小扫频步距可达0.03Hz。如果进一步降低晶振频率，可以使得扫频步距进一步降低，从而提高密度测定的精密度。

在一种实施例中，所述U型振动管20通过激光焊接方式与所述底座10固定连接，并且所述U型振动管20与所述底座10的平面呈垂直设置。

示范性地，本实施例中的U型振动管20和底座均采用特制不锈钢管经特殊工艺制作而成，激光焊接不仅速度快、变形小，并且能在室温或特殊条件下进行焊接，对环境和设备的依赖性小。并且保证所述U型振动管20与所述底座10的平面垂直，能够进一步地提高检测的精准度。

实施例2

请参照图5，本发明实施例还提供了一种应用于上述实施例1中的U型振动管式密度计的油品标准密度计算方法，具体包括如下步骤：

步骤S110：基于所述U型振动管式密度计，确定当前温度下油品的测量密度。

本实施例的测量密度是指在实时温度下直接经过测量得到的密度。具体地，将需要测量的油品装入所述U型振动管式密度计的U型振动管20中，进而控制器控制所述阻抗测量芯片输出激励信号，以使所述U型振动管20开始进行振动，所述阻抗测量芯片根据振动信号确定U形振动管20的共振频率点，从而得到该油品在当前温度下的测量密度。

步骤S120：基于标准密度计算公式，计算所述油品的标准密度；其中，所述标准密度计算公式为ρ

具体地，标准密度是指油品在20℃时的密度。本实施例通过大量的计算和实验对标准密度计算公式的固定系数不断进行修正，从而得到上述标准密度计算公式。因此，在所述步骤S120之前，还包括：

基于所述U型振动管式密度计，确定至少两种预设温度下所述油品的测量密度；

采用非线性最小二乘法对所有预设温度下的所述测量密度进行非线性曲线拟合，确定所述标准密度计算公式。

具体地，标准密度计算通式为：

ρ

其中，ρ

仅对20℃的油品的测量密度进行拟合确定的a、b并不准确，因此，为使固定系数a、b在宽温度范围内更加准确，需要在至少两种预设温度下，采用非线性最小二乘法对所有预设温度下的所述测量密度进行非线性曲线拟合，从而确定a＝1.35998，b＝0.00081具体地，基于实际测量因素的考量，本实施例中的所述预设温度的范围为-35℃～35℃。示范性地，请参照图6，可以在15℃、20℃和25℃中的各个测量密度进行拟合分析，得到的固定系数a、b的拟合图像。

在一种实施例中，所述油品标准密度计算方法还包括：对不同预设温度下的所述测量密度进行回归拟合，分别得到各个所述预设温度对应的k值；

根据多个所述k值，创建密度修正系数表；

根据所述密度修正系数表和预设公式，计算所述当前温度下的k值。

具体地，可以通过对不同温度下的油品的密度相关数据进行拟合，其中，密度相关数据包括油品检测时的温度和测量密度，因此，分别在-35℃～35℃范围内按照预设间隔取值，能够得到多个温度对应的k值。可以理解，预设间隔的取值可以为5℃，也可以为6℃，可以根据实际情况而定，这里不做限定。为了确保计算的准确性，预设间隔通常不宜设置过大。

本实施例还通过前期大量实验测量数据记录各个温度下的密度修正系数。示范性地，参阅表1，本实施例中表1所示出了一种密度修正系数表：

表1

在一种实施例中，所述预设公式为：

其中，t′为密度测定时的所述当前温度，所述k

具体地，根据密度修正系数表和内插法，将不同温度的k值代入标准密度计算方法即可对不同温度下的油品标准密度进行计算。可以理解，即使当前温度不处于20℃的情况下，仅需要通过U型振动管式密度计得到油品在密度测定时的当前温度下的测量密度，就能够直接计算出该油品的标准密度，大大地提高了计算的灵活性，并且本实施例能够实现-35℃～35℃范围内的准确计算，能够很好地适应某些寒冷地区的工作需要，实现满足野外环境快速测量的需求。

示范性地，所述当前温度为28℃，则需要从密度修正系数表确定温度t

在一种实施例中，所述根据所述密度修正系数表和预设公式，计算所述当前温度下的k值，包括：

根据所述当前温度，确定第一温度和第二温度；

根据所述密度修正系数表，分别得到所述第一温度对应的第一k值和所述第二温度对应的第二k值；

通过所述第一温度、所述第二温度、所述第一k值和所述第二k值，计算所述当前温度下的k值。

可以理解，根据所述当前温度，能够确定第一温度和第二温度；所述当前温度位于所述第一温度和所述第二温度之间，因此，可以设置第一温度大于所述当前温度，所述第二温度小于所述当前温度；也可以设置第一温度小于所述当前温度，所述第二温度大于所述当前温度。在上述的预设公式中

进一步地，从所述密度修正系数表中找到所述第一温度对应的第一k值和所述第二温度对应的第二k值，从而根据预设公式，便能够快速地计算出所述当前温度下的k值。

本实施例还根据密度修正系数表和内插法计算得到的k值代入到标准密度计算公式中，计算不同种类油品在随机温度下的标准密度，并对结果进行误差分析。

因此，本实施例中的标准密度计算公式ρ

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。