本文介绍了音叉式密度计的工作原理、结构特点和选型要点。通过与其他类型密度计的对比，可以看出音叉式密度计具有无压力损失、即插即用、安装简单、维护方便等优势。结合工程实践探讨了在不同流速、不同管径工况下，如何优化密度计的选型和选择正确的安装方式，从而充分发挥仪表的性能。

密度计是一种重要的在线分析仪表，用于连续测量液体的密度，广泛应用于化工生产装置中，其检测精度和稳定性直接影响到产品质量，甚至危及工艺装置的稳定性和安全性。

1、密度计的分类

密度计的种类较多，原理各异。目前应用比较广泛的有差压式密度计、科式质量流量计、放射性密度计和音叉式密度计。

(1)差压式密度计。通过测量一定高度液体差压的变化，计算液体密度ρ=Δp/gH。该类仪表需要有固定高度的液位差才能使用，比较适用于静设备工况，应用条件具有一定的局限性。

(2)科氏质量流量计。液体流经仪表测量管时，测量管振动频率随介质质量、密度的变化而变化，共振频率是介质密度的函数。该类仪表精度高、性能稳定，但仪表本身压力损失大，大口径仪表价格昂贵。

(3)放射性密度计。利用射线穿过被测物质时，其强度随物质密度变化的原理，用于测量物质密度。该类仪表可实现非接触式测量，适用于高压、高黏度、强腐蚀的苛刻工况。

(4)音叉式密度计。利用音叉振动的谐振频率随液体的密度变化而变化的原理，直接测量液体密度。该类仪表具有结构简单、维护量小，测量精度高的特点，能在管道和储罐中进行连续的实时测量，适用于更广泛的生产过程和复杂的工况。

2、音叉式密度计的测量原理

音叉式密度计为一体化结构，主要由变送器、振动叉体和测温元件组成。音叉叉体在压电晶体驱动下以固有频率振动，振动的频率由位于另一叉体末端的压电晶体检测出来。当液体流经叉体时，叉体的固有振动频率会随着周围液体密度的变化而变化，叉体的振动周期(频率倒数)与液体密度呈特定的函数关系。通过检测振动频率的变化，即可计算出当前液体的密度。

金属叉体的机械性能和弹性随温度改变会引起音叉机械部件振动频率的变化，通过集成在叉体上的温度检测元件，补偿温度变化的影响。

3、音叉式密度计特点及选型要点

3.1特点

(1)与差压式密度计相比，音叉式密度计能对管道和储罐中的介质密度进行连续的实时测量，无需特定高度的液位差，测量点的选取更灵活。

(2)与科氏质量流量计相比，结构简单、无节流元件，管系的压力损失几乎为零，并且对腐蚀性强的介质，材质选择更为广泛，更为经济。

(3)与放射性密度计相比，对于高压、高黏度和强腐蚀的苛刻工况，也有良好的表现，并且免除了放射性物质对操作人员健康的威胁，更加环保安全。

3.2选型要点

音叉叉体在振动时，产生1个以音叉末端为ZX的椭圆形有效测量区域，叉体检测该敏感区域内流体性质，对此区域外的流体性质都不敏感。

当音叉振动敏感区被管壁阻隔时，振动波被管壁反射产生变形，称之为边界效应，仪表校准时需要考虑边界效应对测量精度的影响。

4、工程应用

4.1普通工况

笔者参与设计的某丝束项目，原料经纺丝机喷丝生成细纤维束，为了除去丝束的静电和防止磨损，要在丝束上喷涂油剂、乳化剂，乳化剂的密度会直接影响产品产量和质量，因而需要实时在线监测乳剂的密度，实时调整乳化剂的配比。通过比较各种类型仪表，决定选用音叉式密度计产品。

(1)仪表选型。乳化剂为非腐蚀介质，音叉叉体选择标配316L材质；过程连接为DN50法兰;密度计为两线制仪表，无需外供电，一体式变送器输出4～20mA模拟量信号，叠加HART通信，表头还可输出参考密度等参数；密度计所处的环境中同时含有可燃性气体丙酮和可燃性粉尘丝束，因而要求仪表同时具备气体和粉尘双重防爆认证。

(2)仪表安装。仪表安装所在管道公称直径为DN80，边界效应会降低仪表测量精度。因此，将管道扩径至DN100，此时流速为0.3m/s，仍满足仪表流速要求。同时为了避免积气或积料，采用水平安装的方式。音叉叉体长75mm，为保证叉体能浸没到管道介质中，过程接管应小于70mm。

4.2需考虑边界效应修正工况

在另一化工项目中，需要检测原料密度以调整原料在结晶器中结晶的时间。实际工况的温度、压力、密度、黏度均满足仪表适用工况，但仪表所在管道为DN50，流速为0.6m/s，高于0.3～0.5m/s的仪表适用工况。如果将管道扩径至仪表要求的DN100，通过计算得到流速约为0.15m/s，又不满足仪表适用工况。采用T型套管的安装方式，将叉体“藏”在套管内，可解决此问题。

T型套管长度根据主管道内液体流速确定，套管越长，套管内流速越低；套管管径与主管同径。因为管径小于DN100，边界效应会降低仪表测量精度，因而在仪表选型时需要考虑传感器在边界效应影响下的标定，修正仪表常数K0、K1、K2。某公司音叉式密度计的选型代码中，针对存在边界效应的安装方式，提供了三种修订工况：DN50SCH40的T型管；DN50SCH80的T型管；DN80SCH80流通室。

此外，因为密度计位于安装套管内，易导致较大的温度梯度，采用岩棉对T型套管进行保温，可大幅消除温度梯度对测量的影响。

5、结束语

音叉式密度计无可动部件，无管系压力损失，即插即用，安装简单，维护方便，具有其他类型密度测量仪表无法替代的性，具有良好的应用前景。在设计过程中，要充分研究过程工况和介质特性，选择合理的安装方式，充分发挥仪表的性能。