本发明涉及一种采用微波的密度计，更具体地说，涉及一种采用微波的、能以高精度测量悬浮物（悬浮的物质）或溶解物质密度的密度计。 通常已知的采用超声波的密度计可作为一种用于测量悬浮物（悬浮的物质）（例如泥浆和浆料）的密度的密度计。图1示出了这样一种采用超声波的、通常的密度计。
如图1所示，通过闸门阀2A和2B，把一根检测管道3配置在管道1A和管道1B之间。超声发射器4和超声接收器5彼此相对安置在一根管道壁上，以便接触在检测管道3中流动着的测量流体。一振荡器6与超声发射器4连接。一个衰减因了测量单元7与超声接收器5连接。
按照上述采用超声波的密度计，由振荡器6驱动超声发射器4，并且从超声发射器4发射超声波，这超声波在检测管道3的流体中传播并由超声接收器5接收。这时，超声波的强度根据液体中的悬浮物的密度而被衰减。超声接收器5按照所接收的超声波的强度产生电信号。从超声接收器5输出的接收信号提供给衰减因子测量单元7。在衰减因子测量单元7屮，有事先决定地工作曲线，这工作曲线显示了悬浮物的密度与由悬浮物的密度而定的超声波的衰减因子之间的关系。衰减因了测量单元7根据上述工作曲线测量在流体中的悬浮物的密度，所述工作曲线基于由从超声接收器5输出的接收信号所显示的衰减因子。
不过，在上述采用超声波的密度计中，存在下述一些问题。
（a）由于超声发射器4和超声接收器5接触流体，悬浮物粘附于它们的接触表面，而这一点成为引起测量误差的一个因素。由于这一点，需要清洗超声发射器4和超声接收器5的接触表面。实际上，悬浮物（例如泥浆）是易于粘附在它上面的，必须常常进行这样的清洗。
（b）可以通过把超声发射器4和超声接收器5安装在检测管道3的外边的方式来解决上述问题。然而，在这种情况下，必须把超声发射器4和超声接收器5所在的、检测管道3的那部分的厚度减薄，以减小超声波在检测管道3的壁部分中的衰减。由于这一点，就存在一个强度和耐久性问题。检测管道3也受到振动的影响，而且这成为引起测量误差的一个因素。
（c）此外，与流体比较，超声波的衰减因子在气体中是极大的。因此，如气体泡混合进流体中，超声波在气体中的衰减变得比由于悬浮物所产生的衰减更大。结果，测量不出要测量的流体的密度。或者，会得到明显过高的密度的测量结果。
要解决上述问题，在这种类型的采用超声波的密度计中，有一种具有消除气泡机制的密度计。使用这种具有气泡消除机制的密度计时，在一预定的取样期间，把要测量的流体引入一压力气泡消除室。给压力气泡消除室的里面加压，而且气泡被溶解了。此后，用超声波测量在要被测量的流体中的悬浮物的密度。然而，甚至在这种类型的密度计中，由于是在一预定的取样期间对流体取样，不能进行连续测量。况且，由于进行取样和加压，需要提供可机械移动的机构。因此操作的可靠性低。
（d）此外，上述采用超声波的密度计利用了这样一个事实，即超声波被测量物质所分散并被衰减。由于这一点，这种类型的密度计不易用于物质完全溶于流体中的情况。
本发明的目的是要提供一种采用微波的密度计，这密度计能以高精度测量悬浮物的密度，而又不造成采用超声波的密度计的那些缺点。
可通过下述密度计来达到上述目的。
更具体地说，本发明提供了一种采用微波的密度计，这种密度计包括：一个微波检测部分，一个相位检测部分和一个密度计算部分;该微波检测部分用于通过发射从1.4GHz到1.75GHz的频带的微波到参考流体并从该参考流体接收这个频带的微波来拾取一个第一微波接收信号，并用于通过发射从1.4GHz到1.75GHz频带的微波到测量流体并从该测量流体接收这个频带的微波来拾取一个第二微波接收信号;该相位检测部分用于获得在所述第一微波接收信号和所述第二微波接收信号之间的相位差;而该密度计算部分用于根据上述相位检测部分所获得的相位差来计算测量流体的密度。
此外，上述目的可通过下述密度计达到。
更具体地说，本发明提供了一种采用微波的密度计，这密度计包括：一个微波检测部分、一个相位检测部分、一个校正部分和一个密度计算部分;该微波检测部分用于通过发射1.4GHz到1.75GHz的频带的微波到参考流体并从该参考流体接收这个频带的微波来拾取一个第一微波接收信号，并用于通过发射1.4GHz到1.75GHz的频带的微波到测量流体并从该测量流体接收这个频带的微波来拾取一个第二微波接收信号;该相位检测部分用于获得在上述第一微波接收信号和上述第二微波接收信号之间的相位差;该校正部分用于校正由于在上述参考流体的第一传导率和第一温度中的至少一个和上述测量流体的第二传导率和第二温度中的至少一个之间的差别所引起的相位差;该密度计算部分用于基于通过上述校正部分所获得的校正过的相位差来计算上述测量流体的密度。
根据采用微波的密度计，使1.4至1.75GHz的频带的微波在基本上不会测量物质的流体和含测量物质的流体中传播并且分别测量相位滞后θA和θB。然后，由这些相位滞后θA和θB得到一个相位差△θ。此后，通过利用表明在一预定的已知密度和所述相位差之间关系的一条工作曲线，测量流体的密度。
并且甚至在悬浮物溶解在流体的情况下，微波由于受到溶解物质的影响而传播并到达一个接收系统6。由于这一点，可以适当地测量测量物质的密度。
此外，在把密度计用到要被测量的流体所流到的实际管道的情况下，微波发射和接收天线紧密地连接到通过一个用于一在线连接的隔离部件而彼此相对的一些敞开的窗口上。然后，发射并接收1.4至1.75GHz的频带的微波。由于这一点，可得到高发射因子的特性，这使得可以以高精度测量要被测量的流体的密度。
相位差被校正，以不受测量流体的传导率和它的温度的影响，这使得可以以高精度测量测量流体的密度。
此外，将在下面的说明中陈述本发明的目的和优点，而且从此说明来看，部分是显而易见的，或者通过实施本发明可学会的。可通过在所附的权利要求书中所特别指出的一些手段和组合，来实现和获得本发明的目的和优点。
这里所包括进来并构成详细说明的一部分的那些附图目前显示了本发明的一些最佳实施例，并且与上面给出的一般性说明用下面给出的那些最佳实施例的详细说明结合在一起，用来解释本发明的原理。
图1是显示了一个通常的密度计的示意性结构的一幅图;
图2和图3分别是说明密度计的密度测量原理的图;
图4显示了一条工作曲线的一个例子的一幅图;
图5是显示了采用微波的本发明的密度计的一个实施例的一幅图;
图6是显示了在本发明的实施例中密度计的天线所附着的那部分的一个主要部件的一幅图;
图7是用于测量微波的衰减因子和它的发射因子的一个实验装置的一幅图;
图8至图10是显示了通过图7所示的实验装置所得到的微波的各种频率特性的图;
图11是显示了采用微波的本发明的密度计的另一个实施例的一幅图;以及
图12至图14是显示了在传导率、温度和相位差之间的关系的图。
将参考图2和图3解释采用微波的本发明的密度计的密度测量原理。
密度计显示了流体中物质含量的程度，即具有各种存在于稳定流体中的成分的物质的比率。换句话说，可通过一般的术语，例如，含量、浓度或密度等来表达这个比率。
用于本详细说明中的这些参数，例如，含量、浓度或密度等的单位将如下面所说明的那样，而且在本发明中可指定任何单位。
（1）体积百分比，这是指在同样压力下，物质中所含某种化合物的体积与该物质的体积的比值乘以100，并可用vol%来表达。
（2）重量百分比，这是指物质中所含某种化合物的重量与该物质的重量的比值乘以100，并可用wt%来表达。
（3）克分子浓度，这是指在1m3的溶液中含有1000克溶解了的分子的溶液浓度，并可用mol来表达。一般来说这被用作在一升溶液中含有1克被溶解了的分子的浓度。
（4）当量浓度，这是指在1m3中含有1000克溶质的化合当量的溶液的溶解度，并可用N来表达。一般说来，这被用作在一升溶液中含有1克溶质的化合当量的浓度。
除了上面所说的以外，下面显示了一些方法。
（5）溶解在一升溶液中的物质的克数。这可被称作克浓度，并可用g/l来表达。还有，在这种情况下，溶液可用100cm3来表达。
（6）在1000克溶液中含有1克溶质的浓度。这也叫作克分子浓度。为了与第（3）项的情况区分开，这叫作重量克分子浓度，而第（3）项的情况叫作体积克分子浓度。
（7）在溶液中，一份溶质对溶剂的摩尔数和溶质的全部溶质的摩尔数的比值。这叫作体积克分子分数或分子比率。
（8）溶解在1000克溶剂中的溶质的摩尔数。这叫作摩尔组成。
在本发明中，上述那些参量，例如，含量、浓度或密度等也叫作流体密度。
在采用微波的本发明的密度计中，微波发射天线11和接收天线12配置在一根金属管道10（以后叫作“隔离管道”）的外边，这金属管道10包括一根隔离管道、一个外壳或一个在这些天线被固定在其上的状态下彼此相对的部分隔离的部件。从发射天线11发射微波，并用接收天线12接收微波。
如图2所示，对于在隔离管道10中含有基本上不具有杂质（例如水）的参考流体13的情况，微波穿过隔离管道10的壁，在参考流体13中传播并通过配置在相对那边的接收天线12接收。在这时，将微波接收波的相位滞后定为θA。
另一方面，如图3所示，对于在隔离管道10中流动着含有悬浮物的测量流体的情况，从发射天线11发射微波。微波穿过隔离管道10的壁，在具有测物质的测量流体14中传播，并由配置在相对那边的接收天线12接收。这时，将微波接收波的相位滞后定为θB。
可以从下面的方程得到这些相位滞后θA和θB。
θA=dco[12ω(ω2ϵw2+σw2ϵ02+ωϵw)]1/2---(1)]]>θB=dco[12ω(ω2ϵa2+σ2ϵ02+ωϵa)]1/2---(2)]]>
这里C0：微波在真空中的传播速度;
d：测量流体层的厚度（距离）;
ω：入射微波的角频率;
εo：真空介电常数;
εw：参考流体的相对介电常数;
εs：待测量的测量流体的相对介电常数;
σw：参考流体的传导率，以及
σ：参考流体的传导率。
利用上述相位滞后θA和θB，可从下述方程得到相位差：
△θ＝θA-θB
θB=dco[12ω(ω2ϵw2+σ2ϵ02+ωϵa)]1/2]]>θA=dco[12ω(ω2ϵw2+σw2ϵ02+ωϵ2)]1/2---(3)]]>
由上述方程显而易见的是：△θ是εa的函数，而εa是测量流体的函数。由此，可以认为相位差△θ是密度的函数。因此，对于测量含有测量物质（例如悬浮物）的测量流体的密度，基于图2和图3所示的测量原理测量相位滞后θA和θB，而且可从相位滞后得到相位差△θ＝θB-θA。而后，利用图4中所示的显示了在预定的已知密度和相位差之间的关系的工作曲线，可以从所测量的相位差△θ测量测量流体的密度。
将参考图5至图10说明基于本发明的上述原理的，采用微波的、本发明的密度计的一个第一实施例。
在图5中，密度检测管道20，通过闸门阀22A和22B，被配置在上部流那侧的管道21A和下部流那侧的管道21B之间。在密度检测管道20中，配置了供水阀24和排水阀25，这使得可从外部引入参考流体。
更具体地说，如图6所示，在密度检测管道20中，配有敞开的窗口20A和20B，敞开的窗口20A和20B分别用于输入和输出微波，并要彼此相对。天线连接板26B和27B分别通过气密的密封件连接到敞开的窗口20A和20B上。为了保持对应于微波的输入和输出部分的气密性，把隔离材料26C和27C或一个整个隔离的材料播入天线连接板26B和27B。
发射天线26D和接收天线27D单独紧密地连接到天线连接板26B和27B上。电介质26E和27E（例如陶瓷）被包装在天线26D和27D中。
回到图5，将说明采用微波的，本发明的实施例的密度计的结构。
在密度计的发射天线系统中，配置了一个用于产生微波的微波发生器28。微波发生器28的输出通过功率分解器送到发射天线26。
另一方面，在一个接收系统中，把一个相位检测器30配置在接收天线27中。用作参考信号的一部分微波发射波，与从接收天线27送出的微波的接收波一起引入相位检测器30。
相位检测器30包括一个在图2和图3所示测量条件下用于测量相位滞后θA和θA的相位滞后测量部分30A，一个用于储存这些相位滞后数据的测量数据储存部分30B、以及一个用于获得相位差△θ的相位差计算部分30C。一个信号转换器31接收相应于来自相位检测量器30的相位差的信号，把相应于例如0至5%（即4至20mA的电信号）的密度的信号进行转换。
下面将说明本发明的实施例的上述结构的密度计的密度测量操作。
首先，如图5所示，将参考流体，（例如不含杂质悬浮物的水）提供给密度检测管道20，并且测量相位滞后θA。在这种情况下，相位滞后是指由相位检测器30所得到的，微波接收波相对于微波发射波的相位滞后。
在测量相位滞后θA时，在关闭了闸门阀22A和22B之后，打开排水阀25，以从管道20中排出测量流体，例如泥浆。而后，打开供水阀24，以提供水，并清洗管道20的内部。此后，关闭排水阀25，并在管道20内部充满水。
在管道20充满水后，如果由发生器28产生微波信号，则通过功率分解器29从发射天线26发射微波，通过管道20的水传播微波，并由接收天线27接收微波。把由接收天线27接收的微波送到相位检测器30。把一部分微波发射波从功率分解器29送到相位检测器30。
相位检测器30的相位滞后测量部分30A，通过比较微波发射波与微波接收波，测量相位滞后θA，并把被测得的相位滞后储存进数据储存部分30B。
此后，打开排水阀25，以排出管道20的水，然后，打开闸门阀22A和22B，以充许包含有测量物质的测量流体流动，并测量测量流体的相位滞后θB。换句话说，在包含有测量物质的测量流体流动的状态下，以预定的周期或随机发射微波。然后，由相位检测器30测量相位滞后θB，并把所测量得的相位滞后θB储存进数据储存部分30B。把所测量得的相位滞后θB按需要顺序更新，并储存在其中。
此外，在相位检测器30的相位差计算部分30C中，从数据储存部分30B读出相位滞后θB和在提供参考流体时已经测量了的相位滞后θA，并且基于要被发射到信号转换器31的下述方程来获得相位差△θ。
△θ＝θB-θA
信号转换器31接收相位差△θ，根据工作曲线获得在已知密度和此相位差之间的关系，即密度，把该相位差转换为相应于所获得密度的一个信号，并输出这个信号。
上面说明了采用微波的密度计的原理和实施例的结构。下面将说明如何实际使用微波频率的程度，以有效并精确地测量要被测量的，含有测量物质的流体的密度。更具体地说，进行一个用于得到一个合适频率的实验，并将说明该实验的例子和该实验的结果。
为了有效并精确地测量含有悬浮物的测量流体的密度，在实验前我们首先注意下面这一点。
也就是说，在测量流体中传播的，并被接收的微波的衰减因子最小。换句话说，采用具有高发射因子的微波频率是有效的。
然后，为了得到具有最高发射因子的微波频率，用图7所示装置进行一个实验。此装置采用了与检测管道20基本具有同样结构的，具有底板的外壳20′。外壳20′的内部充满水作为一种参考流体。况且，在发射系统中，类似于图5，配置了微波发生器32，功率分解器29，和发射天线26。在接收系统中，除了接收天线27外，新采用了衰减因子测量单元33取代相位检测器30。
如果利用上述实验装置从微波发生器28产生例如0到3.6GHz的微波，就如图8所示的那样，可以得到通过功率分解器29并从发射天线发射到水的微波发射频率特性。换句话说，可以入射1.0至3.6GHz频带的、基本具有同样发射输出特性的微波。
微波在水中传播并由接收天线27接收。不过，把由接收天线27所接收的微波B送到衰减因子测量单元33。这时，把发射微波A从功率分解器29送到衰减因子测量单元33。因此，在衰减因子测量单元33中，如果利用分别输入的微波A和B进行B/A的计算，则可测量相应于上述衰减因子的值。
然后，检查在衰减因子测量单元33的测得的结果和接收频率之间的关系。结果，如图9所示，得到了基本上恒定的衰减因子。然而，人们发现，在1.5GHz的接收频率处衰减因子极低。此外，更精确地考察约1.5GHz的接收频带，并测量发射因子（衰减因子的倒数）。结果，人们发现，中心约为1.575GHz的1.40至1.75GHz的接收频带的微波的发射因子比其它接收频带的微波的发射因子更高（图10）。
此外，采用具有80、100、200、250、300、350和400毫米的各种尺寸d（尺寸d相应于上述管道的直径）的外壳20′进行各种实验。结果，对外壳20′的任何尺寸都得到同样的结果。
因此，由上述实验可明显看出的是，可以理解，如果利用1.55至1.60GHz频带的微波来进行发射和接收，可以得到精度最高的测量结果。此外，可以理解，既使采用1.4至1.75GHz的接收频带的微波，衰减因子变得比其它频率时更低。
本发明并不限于上述实施例。例如，在上述实施例中，在泥浆流动的状态下测量密度。不过，也要以在泥浆静止的状态下测量密度。此外，本发明可用于除泥浆外的其它流体的情况。进一步，上述实施例说明了采用密度为0%的流体作为参考。然而，可以用密度基本为零的流体。具有已知密度的测量物质也可作为参考。此外，可用具有恒定传播特性的电路作为参考。进一步，利用一个外壳或旁路管道取代检测管道20并利用图5或图6所示的结构可以测量密度。
将参考图11至14说明采用使用微波的密度计的本发明的第二个实施例。
在第二个实施例中，传导率测量装置34和温度测量装置35配置在检测管道20中。把传导率测量装置34的输出输入到传导率信号发生器36，并产生相应于传导率的传导率信号。把温度测量装置35的输出输入到温度信号发生器37，并产生相应于温度的温度信号。把传导率信号和温度信号提供给校正电路38。除了传导率信号和温度信号外，还把相位检测器30的输出输入给校正电路38。
在校正电路38中，可通过传导率校正和温度校正选择性完成相位检测器30的输出校正。还可通过传导率校正和温度校正来完成相位检测器30的输出校正。
将参照图12说明传导率校正。
更具体地说，如图12所示，校正电路38储存了显示在传导率差和相位差校正值△θσ之间的关系的数据。在这种情况下，从所储存的和所测量的密度为零的液体的传导率和它的相应的传导率信号得到传导率。然后，如果校正电路38接收传导率信号，则校正电路38得到在两个相位差△θ之间的差△θ’，这相位差△θ来自相位检测器30，而且，校正电路38还得到来自在传导率差和相位差校正值△θσ之间的关系的相位差校正值△θσ。
△θ’＝△θ-△θσ
把相位差△θ’送到信号转换器31。信号转换器31从图14所示的在相位差△θ’和密度之间的关系（工作曲线数据）得到测量物质（例如泥浆）的密度。然后，信号转换器31按照所得到密度输出一个电流信号，并把这电流信号通过一个输出电路32送到一个装置（未示出）。
下面将参考图13说明温度校正。
更具体地说，校正电路38储存显示在一个温度差和一个如图13所示的相位差校正值△θz之间的关系的数据，该温度差是来自密度为零的液体的所测量的和所储存的温度以及它的相应的温度信号。然后，如果校正电路38接收温度信号，则校正电路38得到在两个来自相位检测器30的相位差△θ’之间的差＊和来自在温度差及相位差校正值△θz之间关系白相位差校正值△θz。
△θ’＝△θ-△θz
把相位差△θ’送到信号转换器31。图14所示的在相位差△θ’和密度之间的关系（工作曲线数据），信号转换器31得到测量物质（例如泥浆）的密度。之后，信号转换器31根据所得到的密度输出一个电流信号，并把这电流信号通过一个输出电路32送到一个装置（未示出）。
此外，在传导率校正和温度校正两者都完成的情况下，信号转换器31接收传导率信号和温度信号，信号转换器31得到相位差校正值△θσ和△θz，以及在相位差和相位差校正值△θσ及△之间的差△θ’。
△θ’＝△θ-△θσ-△θz
把相位差△θ’送到信号转换器31。从图14所示的在相位差△θ’和温度之间的关系（工作曲线数据），信号转换器31得到要被测量的物质（例如泥浆）的密度。之后，信号转换器31根据所得到的密度输出一个电流信号，并把这电流信号通过一个输出电路32送到一个装置（未示出）。
如上所述，在第二个实施例中，可以得到与第一个实施例同样的技术优点。此外，还可获得下述特殊的技术优点。
也就是说，由于测量了密度测量对象的传导率并校正了相位差△θ，传导率几乎没有受到溶解在泥浆中的离子成分的影响。
此外，由于测量例如泥浆的温度并校正相位差△θ，传导率几乎没有受到溶解在泥浆中的离子成分的影响。并且即使相对介电常数改变了，也可控制这样一种影响，并可进行精确的密度测量。
如上所述，根据本发明，由于采用1.4至1.75GHz的频带的微波可以测量密度（实际采用1.55至1.60GHz的频带），可以测量测量对象的密度而不会在测量物质上具有任何粘附且不会受到流体中气光的影响。此外，按照本发明，甚至在测量对象完全溶解在流体中的状态下，也能容易地测量密度。进一步，按照本发明，采用1.55至1.60GHz的频带的微波，由此使得能大大改进密度测量的精度。
本领域普通技术人员将易于得出其它的优点和改进。因此，就更广泛的范围来说，本发明并不限于此处所示的说明的特殊细节和典型装置。因此，可以做各种改进而不会背离由所附的权利要求书及其等效物所确定的总的发明思想的精神和范围。