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