一種擴(kuò)散硅壓力式密度靜態(tài)測(cè)量系統(tǒng)

在制糖等輕化工程中,為了全面實(shí)現(xiàn)工藝過程及質(zhì)量的自動(dòng)控制,需要對(duì)溶液的密度、濃度等萬(wàn)分進(jìn)行測(cè)量,而密度的在線測(cè)量與濕度、流量、壓力及液位等非電量測(cè)量相比,較為落后。諧振式和奧我力式密度計(jì)工作原理復(fù)雜,價(jià)格昂貴,未能在工業(yè)過程中普及;壓差式密度測(cè)量一般采用具有可動(dòng)部件和測(cè)量精度不高的機(jī)械式壓力傳感器（或壓力變送器）[1],測(cè)量精度和響應(yīng)速度不能滿足工業(yè)過程測(cè)量需要。在1980年末到1990年初,擴(kuò)散硅壓力傳感器技術(shù)有了新的突破,不僅無(wú)可動(dòng)部件,并且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),它為擴(kuò)散硅壓力傳感器的二次開發(fā)提供了一個(gè)很好的機(jī)遇?；跀U(kuò)散硅壓力傳感器的密度測(cè)量方法和其它測(cè)量方法相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比高及易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。密度測(cè)量在輕化工業(yè)中,有著良好的應(yīng)用前景,對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 擴(kuò)散硅壓力式密度測(cè)量系統(tǒng)組成

擴(kuò)散硅壓力式密度測(cè)量系統(tǒng)硬件由采樣裝置、信號(hào)放大調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)處理電路及微型打印機(jī)組成。

1.1 采樣裝置

在工業(yè)過程中,被測(cè)的溶液要經(jīng)過儲(chǔ)存罐和管道上下傳輸,因此溶液具有一定的高度。為了便于研究,我們采用圖1所示的采樣裝置（整個(gè)高度為1.5米）模擬工業(yè)測(cè)量對(duì)象。在圖1中,測(cè)量筒3上安置的兩個(gè)擴(kuò)散硅壓力傳感器1、2之間距離為H,而兩個(gè)傳感器距測(cè)量筒液面的距離分別為h1和h2;筒內(nèi)的被測(cè)溶液4可為糖水、酒精、鹽水及其它單相流體。因此,若忽略溶液密度的變化,兩個(gè)傳感器間的壓力差為：

ΔP=P1-P2=h1gρ-h2gρ=Hgρ

式中,g——重力加速度

ρ——被測(cè)溶液的密度

當(dāng)H固定時(shí),ΔP∝ρ,從而建立了壓力與被測(cè)溶液密度的關(guān)系。擴(kuò)散硅壓力傳感器通過壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓力到電阻的轉(zhuǎn)換,再由橋路轉(zhuǎn)換為電壓。橋路如圖2所示。其中,R1、R3是受壓電阻,R2、R4是受拉電阻。

若 R1=R2=R3=R4=R

則 U0=EΔR/R=KP

式中,K——壓力（表壓）到電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)

P——傳感器電阻所受到的壓力（表壓）

U0——傳感器橋路輸出電壓

E——傳感器電源電壓

為了進(jìn)一步提高測(cè)量的線性,擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路采用恒流源供電,如圖3所示。

1.2 信號(hào)放大電路

溶液的密度（相對(duì)密度）變化范圍較小（以糖的濃縮溶液為例）,約在1.3～1.5之間變化,溶液的高度H取約1米,壓差隨密度變化較小,采集到的信號(hào)很微弱。為了進(jìn)行有效放大,提高抗干擾能力,信號(hào)放大電路中采用了儀用放大器AD620。模擬信號(hào)放大電路如圖4所示。圖4中A1、A2、A3、A4是運(yùn)放型跟隨器,起阻抗匹配作用,信號(hào)由A5與A6儀用放大器進(jìn)行兩級(jí)放大,由A7完成擴(kuò)散硅壓力傳感器的輸出調(diào)零。

1.3 數(shù)字信號(hào)處理電路

數(shù)字信號(hào)處理電路由8031單片機(jī)及外圍電路組成。主要芯片有程序存儲(chǔ)器27256、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器ADC0809,完成信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波及參數(shù)計(jì)算等功能。

由信號(hào)放大調(diào)理電路輸出的放大信號(hào)U01送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809,為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換分辨率,設(shè)置ADC0809參考電壓VEF（+）=2.25V,VEF（-）=1.75V。由于被測(cè)溶液密度值變化范圍上,僅在小數(shù)點(diǎn)后第三、四位變化,因此,在數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)采用了三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)表示的范圍為：±（1×10E（-2）～9.2×10E（18））,足以滿足密度測(cè)量的精度要求。

2 擴(kuò)散硅壓力式密度測(cè)量系統(tǒng)軟件

2.1 溶液的密度測(cè)量方法及原理

系統(tǒng)測(cè)量純凈水的密度（在4℃時(shí)的密度近似為1）,并以該值為測(cè)量基準(zhǔn),計(jì)算采樣裝置中與測(cè)量有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù),然后測(cè)量被測(cè)溶液的密度。

設(shè)ADC0809的參考電壓VEF（一）對(duì)應(yīng)的數(shù)字量記為DVEF;密度為1的純凈水對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為Ds（調(diào)零后的數(shù)字輸出）,則純凈水的密度和數(shù)字量的關(guān)系為：

Ds+DVEF為K2對(duì)應(yīng)的儀表常數(shù),與被測(cè)對(duì)象無(wú)關(guān)。

2.2 系統(tǒng)軟件

根據(jù)被測(cè)溶液的測(cè)量方法,系統(tǒng)軟件主程序流程框圖如圖5所示。

3 測(cè)量結(jié)果及誤差分析

為了驗(yàn)證該項(xiàng)測(cè)試技術(shù),在25℃環(huán)境下,對(duì)10%～40%濃度的糖溶液密度進(jìn)行了反復(fù)測(cè)量,選取其中若干點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果見表1。

本測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度取決于擴(kuò)散硅壓力傳感器測(cè)量精度、A/D轉(zhuǎn)換器精度、放大器精度和環(huán)境溫度對(duì)密度的影響;其關(guān)鍵是擴(kuò)散硅壓力傳感器精度和環(huán)境濕度對(duì)密度的影響。此外,糖溶液的密度與放置的時(shí)間也有一定關(guān)系,對(duì)剛配制的糖溶液測(cè)量較精確,如果糖溶液放置太久就會(huì)糖化,使得測(cè)量的糖溶液密度值偏小。為了去除測(cè)量結(jié)果中可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù),盡可能地加大采樣次數(shù),并采用了數(shù)字濾波的方法以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。如果用于工業(yè)過程中的線測(cè)量,此問題就不存在了。

表1 糖溶液密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果
   
　                 15%                  20%                30%               40%
查表密度[5] 1.0581           1.0791         1.1259         1.1754
第一次測(cè)量 1.0590            1.0794        1.1250         1.1746
第二次測(cè)量 1.0586            1.0789        1.1249         1.1750
第三次測(cè)量 1.0588            1.0794         1.1250        1.1748
第四次測(cè)量  1.0590           1.0785         1.1255         1.1748
第五次測(cè)量  1.0584           1.0786         1.1252         1.1749
實(shí)測(cè)密度ρr* 1.0587           1.0789         1.1251         1.1748

（注：ρr*為實(shí)測(cè)相對(duì)密度平均值）

通過采用擴(kuò)散硅壓力傳感器,結(jié)合一定的采樣裝置硬件及軟件處理,實(shí)現(xiàn)了密度的靜態(tài)測(cè)量,對(duì)糖溶液密度的實(shí)際測(cè)量證明此方法可行有效。它為密度測(cè)量提供了一個(gè)新的方案。由于擴(kuò)散硅壓力傳感器測(cè)量無(wú)可動(dòng)部件,溫漂小,響應(yīng)速度快,具有杠桿平衡式及矢量式等老式壓力傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。在此工作的基礎(chǔ)上增加一定數(shù)據(jù)（1到2個(gè)）壓力傳感器,反映流動(dòng)溶液動(dòng)態(tài)特性,采用多傳感器的信息融合軟計(jì)算技術(shù),實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散硅壓力式密度的動(dòng)態(tài)測(cè)量是需進(jìn)一步研究的問題。