摘 要: 全面實(shí)現(xiàn)輕化工過(guò)程的自動(dòng)控制，溶液的密度(或濃度)等成分的測(cè)量是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)多個(gè)擴(kuò)散硅壓力式傳感器，結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溶液密度的靜態(tài)測(cè)量，并取得了較好的實(shí)驗(yàn)測(cè)量效果。
關(guān)鍵詞: 擴(kuò)散硅壓力傳感器?? 密度?? 單片機(jī)
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在制糖等輕化工過(guò)程中，為了全面實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程及質(zhì)量的自動(dòng)控制，需要對(duì)溶液的密度、濃度等成分進(jìn)行測(cè)量，而密度的在線(xiàn)測(cè)量與溫度、流量、壓力及液位等非電量測(cè)量相比，較為落后。諧振式和奧氏力式密度計(jì)工作原理復(fù)雜，價(jià)格昂貴，未能在工業(yè)過(guò)程中普及;壓差式密度測(cè)量一般采用具有可動(dòng)部件和測(cè)量精度不高的機(jī)械式壓力傳感器(或壓力變送器)[1]，測(cè)量精度和響應(yīng)速度不能滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程測(cè)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(wú)可動(dòng)部件，并且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，它為擴(kuò)散硅壓力傳感器的二次開(kāi)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(cè)量方法和其它測(cè)量方法相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量在輕化工業(yè)中，有著良好的應(yīng)用前景，對(duì)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(cè)量系統(tǒng)組成
擴(kuò)散硅壓力式密度測(cè)量系統(tǒng)硬件由采樣裝置、信號(hào)放大調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)處理電路及微型打印機(jī)組成。
1.1 采樣裝置
在工業(yè)過(guò)程中，被測(cè)的溶液要經(jīng)過(guò)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(cè)量對(duì)象。在圖1中，測(cè)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(cè)量筒液面的距離分別為h1和h2；筒內(nèi)的被測(cè)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(cè)溶液的密度
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當(dāng)H固定時(shí)，ΔP∝ρ，從而建立了壓力與被測(cè)溶液密度的關(guān)系。擴(kuò)散硅壓力傳感器通過(guò)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。
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為了進(jìn)一步提高測(cè)量的線(xiàn)性，擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路采用恒流源供電，如圖3所示。
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1.2 信號(hào)放大電路
溶液的密度(相對(duì)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(hào)很微弱。為了進(jìn)行有效放大， 提高抗干擾能力，信號(hào)放大電路中采用了儀用放大器AD620。模擬信號(hào)放大電路如圖4所示。圖4中A1、A2、A3、A4是運(yùn)放型跟隨器，起阻抗匹配作用，信號(hào)由A5與A6儀用放大器進(jìn)行兩級(jí)放大，由A7完成擴(kuò)散硅壓力傳感器的輸出調(diào)零。
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1.3 數(shù)字信號(hào)處理電路
數(shù)字信號(hào)處理電路由8031單片機(jī)及外圍電路組成。主要芯片有程序存儲(chǔ)器27256、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器ADC0809等，完成信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波及參數(shù)計(jì)算等功能。
由信號(hào)放大調(diào)理電路輸出的放大信號(hào)U01送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換分辨率，設(shè)置ADC0809參考電壓VEF(+)=2.25V，VEF(-)=1.75V。由于被測(cè)溶液密度值變化范圍很小，僅在小數(shù)點(diǎn)后第三、四位變化，因此，在數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)采用了三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)表示的范圍為：±(1×10E(-2)～9.2×10E(18))，足以滿(mǎn)足密度測(cè)量的精度要求。
2 擴(kuò)散硅壓力式密度測(cè)量系統(tǒng)軟件
2.1 溶液的密度測(cè)量方法及原理
系統(tǒng)測(cè)量純凈水的密度(在4°C時(shí)的密度近似為1)，并以該值為測(cè)量基準(zhǔn)，計(jì)算采樣裝置中與測(cè)量有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后測(cè)量被測(cè)溶液的密度。
設(shè)ADC0809的參考電壓VEF(-)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量記為DVEF；密度為1的純凈水對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為Ds(調(diào)零后的數(shù)字輸出)，則純凈水的密度和數(shù)字量的關(guān)系為：
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測(cè)量被測(cè)溶液時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為Dr，被測(cè)溶液的密度記為ρr，則
2.2 系統(tǒng)軟件
根據(jù)被測(cè)溶液的測(cè)量方法，系統(tǒng)軟件主程序流程框圖如圖5所示。
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3 測(cè)量結(jié)果及誤差分析
為了驗(yàn)證該項(xiàng)測(cè)試技術(shù)，在25℃環(huán)境下，對(duì)10%～40%濃度的糖溶液密度進(jìn)行了反復(fù)測(cè)量，選取其中若干點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。
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??? 本測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度取決于擴(kuò)散硅壓力傳感器測(cè)量精度、A/D轉(zhuǎn)換器精度、放大器精度和環(huán)境溫度對(duì)密度的影響;其關(guān)鍵是擴(kuò)散硅壓力傳感器精度和環(huán)境溫度對(duì)密度的影響。此外，糖溶液的密度與放置的時(shí)間也有一定關(guān)系，對(duì)剛配制的糖溶液測(cè)量較精確，如果糖溶液放置太久就會(huì)糖化，使得測(cè)量的糖溶液密度值偏小。為了去除測(cè)量結(jié)果中可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，盡可能地加大采樣次數(shù)，并采用了數(shù)字濾波的方法以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。如果用于工業(yè)過(guò)程中的在線(xiàn)測(cè)量，此問(wèn)題就不存在了。
??? 通過(guò)采用擴(kuò)散硅壓力傳感器，結(jié)合一定的采樣裝置硬件及軟件處理，實(shí)現(xiàn)了密度的靜態(tài)測(cè)量，對(duì)糖溶液密度的實(shí)際測(cè)量證明此方法可行有效。它為密度測(cè)量提供了一個(gè)新的方案。由于擴(kuò)散硅壓力傳感器測(cè)量無(wú)可動(dòng)部件，溫漂小，響應(yīng)速度快，具有杠桿平衡式及矢量式等老式壓力傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。在此工作的基礎(chǔ)上增加一定數(shù)量(1到2個(gè))壓力傳感器，反映流動(dòng)溶液動(dòng)態(tài)特性，采用多傳感器的信息融合軟計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散硅壓力式密度的動(dòng)態(tài)測(cè)量是需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
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參考文獻(xiàn)
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