一种扩散硅压力式密度静态测量系统

在制糖等轻化工程中,为了全面实现工艺过程及质量的自动控制,需要对溶液的密度、浓度等万分进行测量,而密度的在线测量与湿度、流量、压力及液位等非电量测量相比,较为落后。谐振式和奥我力式密度计工作原理复杂,价格昂贵,未能在工业过程中普及;压差式密度测量一般采用具有可动部件和测量精度不高的机械式压力传感器（或压力变送器）[1],测量精度和响应速度不能满足工业过程测量需要。在1980年末到1990年初,扩散硅压力传感器技术有了新的突破,不仅无可动部件,并且具有动态响应快和测量精度高等优点,它为扩散硅压力传感器的二次开发提供了一个很好的机遇。基于扩散硅压力传感器的密度测量方法和其它测量方法相比,具有结构简单、性能价格比高及易于工程实现等优点。密度测量在轻化工业中,有着良好的应用前景,对其进行研究具有重要的工程应用价值。

1 扩散硅压力式密度测量系统组成

扩散硅压力式密度测量系统硬件由采样装置、信号放大调理电路、数字信号处理电路及微型打印机组成。

1.1 采样装置

在工业过程中,被测的溶液要经过储存罐和管道上下传输,因此溶液具有一定的高度。为了便于研究,我们采用图1所示的采样装置（整个高度为1.5米）模拟工业测量对象。在图1中,测量筒3上安置的两个扩散硅压力传感器1、2之间距离为H,而两个传感器距测量筒液面的距离分别为h1和h2;筒内的被测溶液4可为糖水、酒精、盐水及其它单相流体。因此,若忽略溶液密度的变化,两个传感器间的压力差为：

ΔP=P1-P2=h1gρ-h2gρ=Hgρ

式中,g——重力加速度

ρ——被测溶液的密度

当H固定时,ΔP∝ρ,从而建立了压力与被测溶液密度的关系。扩散硅压力传感器通过压阻效应实现压力到电阻的转换,再由桥路转换为电压。桥路如图2所示。其中,R1、R3是受压电阻,R2、R4是受拉电阻。

若 R1=R2=R3=R4=R

则 U0=EΔR/R=KP

式中,K——压力（表压）到电压的转换系数

P——传感器电阻所受到的压力（表压）

U0——传感器桥路输出电压

E——传感器电源电压

为了进一步提高测量的线性,扩散硅压力传感器桥路采用恒流源供电,如图3所示。

1.2 信号放大电路

溶液的密度（相对密度）变化范围较小（以糖的浓缩溶液为例）,约在1.3～1.5之间变化,溶液的高度H取约1米,压差随密度变化较小,采集到的信号很微弱。为了进行有效放大,提高抗干扰能力,信号放大电路中采用了仪用放大器AD620。模拟信号放大电路如图4所示。图4中A1、A2、A3、A4是运放型跟随器,起阻抗匹配作用,信号由A5与A6仪用放大器进行两级放大,由A7完成扩散硅压力传感器的输出调零。

1.3 数字信号处理电路

数字信号处理电路由8031单片机及外围电路组成。主要芯片有程序存储器27256、数据存储器6264及数/模转换器ADC0809,完成信号的采集、数据转换、数字滤波及参数计算等功能。

由信号放大调理电路输出的放大信号U01送至模/数转换器ADC0809,为了进一步提高转换分辨率,设置ADC0809参考电压VEF（+）=2.25V,VEF（-）=1.75V。由于被测溶液密度值变化范围上,仅在小数点后第三、四位变化,因此,在数据运算时采用了三字节浮点数运算。三字节浮点数表示的范围为：±（1×10E（-2）～9.2×10E（18））,足以满足密度测量的精度要求。

2 扩散硅压力式密度测量系统软件

2.1 溶液的密度测量方法及原理

系统测量纯净水的密度（在4℃时的密度近似为1）,并以该值为测量基准,计算采样装置中与测量有关的结构参数,然后测量被测溶液的密度。

设ADC0809的参考电压VEF（一）对应的数字量记为DVEF;密度为1的纯净水对应的数字量为Ds（调零后的数字输出）,则纯净水的密度和数字量的关系为：

Ds+DVEF为K2对应的仪表常数,与被测对象无关。

2.2 系统软件

根据被测溶液的测量方法,系统软件主程序流程框图如图5所示。

3 测量结果及误差分析

为了验证该项测试技术,在25℃环境下,对10%～40%浓度的糖溶液密度进行了反复测量,选取其中若干点的测量结果见表1。

本测量系统的测量精度取决于扩散硅压力传感器测量精度、A/D转换器精度、放大器精度和环境温度对密度的影响;其关键是扩散硅压力传感器精度和环境湿度对密度的影响。此外,糖溶液的密度与放置的时间也有一定关系,对刚配制的糖溶液测量较精确,如果糖溶液放置太久就会糖化,使得测量的糖溶液密度值偏小。为了去除测量结果中可能出现的异常数据,尽可能地加大采样次数,并采用了数字滤波的方法以提高测量的准确性。如果用于工业过程中的线测量,此问题就不存在了。

表1 糖溶液密度测量实验结果
   
　                 15%                  20%                30%               40%
查表密度[5] 1.0581           1.0791         1.1259         1.1754
第一次测量 1.0590            1.0794        1.1250         1.1746
第二次测量 1.0586            1.0789        1.1249         1.1750
第三次测量 1.0588            1.0794         1.1250        1.1748
第四次测量  1.0590           1.0785         1.1255         1.1748
第五次测量  1.0584           1.0786         1.1252         1.1749
实测密度ρr* 1.0587           1.0789         1.1251         1.1748

（注：ρr*为实测相对密度平均值）

通过采用扩散硅压力传感器,结合一定的采样装置硬件及软件处理,实现了密度的静态测量,对糖溶液密度的实际测量证明此方法可行有效。它为密度测量提供了一个新的方案。由于扩散硅压力传感器测量无可动部件,温漂小,响应速度快,具有杠杆平衡式及矢量式等老式压力传感器无可比拟的优点。在此工作的基础上增加一定数据（1到2个）压力传感器,反映流动溶液动态特性,采用多传感器的信息融合软计算技术,实现扩散硅压力式密度的动态测量是需进一步研究的问题。