音叉液位开关的振动频率应如何设计和微调

　　音叉液位开关自发明以来，颇受用户青睐，在各行各业中得到广泛应用。在研发过程中，需要根据应用工况和测量对象对音叉液位开关的音叉振动频率进行合理设计。而在生产过程中，也需要根据设计标称频率对振动叉体做适当微调谐，以便设备在实际应用时稳定可靠地工作。　　

　　音叉振动频率的经验计算公式为：

　　式中：L：叉体的长度（单位为m）
　　　　　t：叉体的厚度（单位为m）
　　　　　E：杨氏模量（单位为kgf/m²）
　　　　　g：重力加速度（980cm/s²）
　　　　　ρ：叉体材质的密度（kg/m³）

　　为了适应测量现场，使粘附液体或固体容易滴落或脱落，一般叉体外观形状和截面不会设计成规则的矩形，下图所示为计为音叉液位开关和料位开关的三种叉体图。对这种不规则的叉体的频率计算，可以采用等效面积和等效截面的方法换算出叉体的长度L和叉体的厚度t。

　　从公式可以看出，音叉标称谐振频率可以通过改变音叉的厚度、长度进行微调，而改变叉体的材料同样能改变音叉标称谐振频率。振动频率与叉长的平方成反比，叉长越长，频率越低；而与叉体的厚度成正比，叉体越薄，振动频率越低。频率变化数据如表一和表二所示：

表一、叉体长度值改变，其振动频率改变的量值

表二、叉体厚度值改变，其振动频率改变的量值

　　除了上述两种调整方法外，选用杨氏模量值E值较大的材料，也能提高振动体的振动频率。

　　上述计算出的音叉振动频率是在自由状态下的谐振频率。音叉振幅与驱动功率有关，一般频率越高振幅越小，反之亦然。在振幅不大的情况下，音叉自由状态下的谐振频率与空气中的谐振频率接近。振动中的音叉浸泡或接触于介质，会发生频率或振幅的强烈改变。当振动中的音叉浸泡于粘度小的液体时，往往会发生谐振频率和振幅的大幅下降，但如果是粘度大的液体，音叉往往无法正常起振，振幅几乎为零，频率杂乱；当振动中的音叉接触固体物料（颗粒或粉末）时，由于音叉自由振动的条件遭到破坏，音叉会很快停止振动。音叉液位开关就是利用检测叉体浸泡到液体时其频率显著且稳定地下降变化来设计的。而音叉料位开关一般是利用叉体接触物料停止振动，通过检测叉体振幅大幅下降原理来设计的。目前大部分国产音叉物位开关是通过检测音叉振幅变化来设计开关点的，这种设计的音叉物位开关在检测液体时可靠性要明显降低，而且可检测的液体介质密度要大于0.7g/cm³，有的甚至要大于0.8g/cm³。同时为了适应于液体测量的需要，这种音叉物位开关往往要加大振动驱动功率，致使其应用于固体颗粒或粉末的物料测量时，可靠性大大下降。这就是为什么国产液体固体通用的音叉物位开关普遍介质密度适应范围小、工作可靠性低的原因。

　　为了提高音叉物位开关的可靠性，计为自动化专门设计只测量液体的液位开关和专门测量固体颗粒和粉末的料位开关，这使其不仅具有极高可靠性，并且其可测量介质的密度也显著低于同行同类产品。其中，其音叉液位开最低可测液体密度低至0.5g/cm³，音叉料位开关最低可测颗粒或粉末密度低达0.008g/cm³。