一種擴(kuò)散硅壓力式密度靜態(tài)測量系統(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,需要對溶液的密度、濃度等萬分進(jìn)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(jì)工作原理復(fù)雜,價(jià)格昂貴,未能在工業(yè)過程中普及;壓差式密度測量一般采用具有可動(dòng)部件和測量精度不高的機(jī)械式壓力傳感器（或壓力變送器）[1],測量精度和響應(yīng)速度不能滿足工業(yè)過程測量需要。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,不僅無可動(dòng)部件,并且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和測量精度高等優(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。基于擴(kuò)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(jié)構(gòu)簡單、性能價(jià)格比高及易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。密度測量在輕化工業(yè)中,有著良好的應(yīng)用前景,對其進(jìn)行研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 擴(kuò)散硅壓力式密度測量系統(tǒng)組成

擴(kuò)散硅壓力式密度測量系統(tǒng)硬件由采樣裝置、信號放大調(diào)理電路、數(shù)字信號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)測量對象。在圖1中,測量筒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)傳感器距測量筒液面的距離分別為h1和h2;筒內(nèi)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(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——被測溶液的密度

當(dāng)H固定時(shí),ΔP∝ρ,從而建立了壓力與被測溶液密度的關(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