一種擴散硅壓力式密度靜態測量系統

在制糖等輕化工程中,為了全面實現工藝過程及質量的自動控制,需要對溶液的密度、濃度等萬分進行測量,而密度的在線測量與濕度、流量、壓力及液位等非電量測量相比,較為落后。諧振式和奧我力式密度計工作原理復雜,價格昂貴,未能在工業過程中普及;壓差式密度測量一般采用具有可動部件和測量精度不高的機械式壓力傳感器（或壓力變送器）[1],測量精度和響應速度不能滿足工業過程測量需要。在1980年末到1990年初,擴散硅壓力傳感器技術有了新的突破,不僅無可動部件,并且具有動態響應快和測量精度高等優點,它為擴散硅壓力傳感器的二次開發提供了一個很好的機遇。基于擴散硅壓力傳感器的密度測量方法和其它測量方法相比,具有結構簡單、性能價格比高及易于工程實現等優點。密度測量在輕化工業中,有著良好的應用前景,對其進行研究具有重要的工程應用價值。

1 擴散硅壓力式密度測量系統組成

擴散硅壓力式密度測量系統硬件由采樣裝置、信號放大調理電路、數字信號處理電路及微型打印機組成。

1.1 采樣裝置

在工業過程中,被測的溶液要經過儲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（整個高度為1.5米）模擬工業測量對象。在圖1中,測量筒3上安置的兩個擴散硅壓力傳感器1、2之間距離為H,而兩個傳感器距測量筒液面的距離分別為h1和h2;筒內的被測溶液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——被測溶液的密度

當H固定時,ΔP∝ρ,從而建立了壓力與被測溶液密度的關系。擴散硅壓力傳感器通過壓阻效應實現壓力到電阻的轉換,再由橋路轉換為電壓。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）到電壓的轉換系數

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