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(yè)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(yè)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(tài)響應快和測量精度高等優(yōu)點,它為擴散硅壓力傳感器的二次開發(fā)提供了一個很好的機遇?；跀U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(yōu)點。密度測量在輕化工業(yè)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(tǒng)組成

擴散硅壓力式密度測量系統(tǒng)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(yè)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(yè)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

為了進一步提高測量的線性,擴散硅壓力傳感器橋路采用恒流源供電,如圖3所示。

1.2 信號放大電路

溶液的密度（相對密度）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,采集到的信號很微弱。為了進行有效放大,提高抗干擾能力,信號放大電路中采用了儀用放大器AD620。模擬信號放大電路如圖4所示。圖4中A1、A2、A3、A4是運放型跟隨器,起阻抗匹配作用,信號由A5與A6儀用放大器進行兩級放大,由A7完成擴散硅壓力傳感器的輸出調零。

1.3 數字信號處理電路

數字信號處理電路由8031單片機及外圍電路組成。主要芯片有程序存儲器27256、數據存儲器6264及數/模轉換器ADC0809,完成信號的采集、數據轉換、數字濾波及參數計算等功能。

由信號放大調理電路輸出的放大信號U01送至模/數轉換器ADC0809,為了進一步提高轉換分辨率,設置ADC0809參考電壓VEF（+）=2.25V,VEF（-）=1.75V。由于被測溶液密度值變化范圍上,僅在小數點后第三、四位變化,因此,在數據運算時采用了三字節(jié)浮點數運算。三字節(jié)浮點數表示的范圍為：±（1×10E（-2）～9.2×10E（18））,足以滿足密度測量的精度要求。

2 擴散硅壓力式密度測量系統(tǒng)軟件

2.1 溶液的密度測量方法及原理

系統(tǒng)測量純凈水的密度（在4℃時的密度近似為1）,并以該值為測量基準,計算采樣裝置中與測量有關的結構參數,然后測量被測溶液的密度。

設ADC0809的參考電壓VEF（一）對應的數字量記為DVEF;密度為1的純凈水對應的數字量為Ds（調零后的數字輸出）,則純凈水的密度和數字量的關系為：

Ds+DVEF為K2對應的儀表常數,與被測對象無關。

2.2 系統(tǒng)軟件

根據被測溶液的測量方法,系統(tǒng)軟件主程序流程框圖如圖5所示。

3 測量結果及誤差分析

為了驗證該項測試技術,在25℃環(huán)境下,對10%～40%濃度的糖溶液密度進行了反復測量,選取其中若干點的測量結果見表1。

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

表1 糖溶液密度測量實驗結果
   
　                 15%                  20%                30%               40%
查表密度[5] 1.0581           1.0791         1.1259         1.1754
第一次測量 1.0590            1.0794        1.1250         1.1746
第二次測量 1.0586            1.0789        1.1249         1.1750
第三次測量 1.0588            1.0794         1.1250        1.1748
第四次測量  1.0590           1.0785         1.1255         1.1748
第五次測量  1.0584           1.0786         1.1252         1.1749
實測密度ρr* 1.0587           1.0789         1.1251         1.1748

（注：ρr*為實測相對密度平均值）

通過采用擴散硅壓力傳感器,結合一定的采樣裝置硬件及軟件處理,實現了密度的靜態(tài)測量,對糖溶液密度的實際測量證明此方法可行有效。它為密度測量提供了一個新的方案。由于擴散硅壓力傳感器測量無可動部件,溫漂小,響應速度快,具有杠桿平衡式及矢量式等老式壓力傳感器無可比擬的優(yōu)點。在此工作的基礎上增加一定數據（1到2個）壓力傳感器,反映流動溶液動態(tài)特性,采用多傳感器的信息融合軟計算技術,實現擴散硅壓力式密度的動態(tài)測量是需進一步研究的問題。