靜壓壓力傳感器在測量液體重量上的應(yīng)用

黃　亮　谷曉懂　楊志強　劉建平　李　昕　劉　杰　陳釔辛　郭睿涵

(川渝中煙工業(yè)有限責任公司四川子公司成都分廠，成都 610066)

0　引言

靜壓壓力傳感器用于液體和漿料的靜壓測量，同時能測量出液體的液位、體積和質(zhì)量，適用于化工、制藥、食品和飲料等行業(yè)所有過程測量領(lǐng)域，具有重復性好、穩(wěn)定性高、量程比大、測量精度高、安裝簡便、價格低廉等優(yōu)點。

1　靜壓測量原理

圖1為靜壓壓力傳感器測量容器內(nèi)液體壓力的示意圖。作用于傳感器測量單元上方隔離膜片上的壓力p1=p大氣壓力+p液體靜壓力，作用于傳感器測量單元下方隔離膜片上的壓力p2=p大氣壓力，作用于測量單元上的壓力p=p1-p2=p液體靜壓力。

圖1　測量原理示意圖

2　液體重量的測量方法

下面介紹一種通過靜壓壓力傳感器測量容器內(nèi)液體的壓力，經(jīng)過計算得到液體重量的方法。這種方法對測量不規(guī)則容器(容器的高度和體積呈非線性關(guān)系)內(nèi)液體的重量具有很好的實用性，具體方法如下。

1)空容器時，校準傳感器的零位，然后往容器內(nèi)逐次倒入水直到容器的最大容量。記錄每一次倒入的水的重量值m和壓力值p。倒水前用電子秤稱出水的重量值，倒水后壓力傳感器會顯示出壓力值。對于規(guī)則容器，只需要記錄最大容量時液體的壓力值和重量值。對于不規(guī)則容器，根據(jù)其形狀特點，需要在容量范圍內(nèi)記錄液體的多組壓力值和重量值。每次加水量越少，記錄的壓力值和重量值的組數(shù)越多，最后測量出的液體重量越準確。

2)將重量值m轉(zhuǎn)換為體積值V，壓力值p轉(zhuǎn)換為高度值h。體積V=m/ρ；h=p/(ρg)。計算后得到容器固有的高度h和體積V的對應(yīng)關(guān)系，即容器的容積表。

3)將容器的容積表劃分為線性關(guān)系較好的幾個區(qū)間。這里可以使用EXCEL中的(CORREL())^2函數(shù)計算某一個區(qū)間內(nèi)高度值和體積值的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越大表明該區(qū)間高度和體積的線性關(guān)系越好。然后使用EXCEL中的SLOPE()函數(shù)和INTERCEPT()函數(shù)計算各區(qū)間曲線的斜率k和截距b，得到該區(qū)間體積V和高度h之間的線性計算公式：V=kh+b。

5)將計算公式寫入上位機程序，便可測量出液體的重量。

3　具體應(yīng)用實例

下面以一個底部為近似圓錐形、上部為圓柱形的容器為例，介紹測量容器內(nèi)液體重量的方法。

1)檢查空容器時壓力傳感器顯示的壓力值是否為0，若不為0，首先校準傳感器的零位。

2)往空容器內(nèi)逐次加水至最大容量。記錄每次加入的水的壓力值和重量值，見表1。

3)根據(jù)壓力和重量計算出高度和體積，得到容器的高度-體積對應(yīng)關(guān)系表，見表2(g取10m/s2)。

表1　容器內(nèi)液體的壓力-重量對應(yīng)關(guān)系表

表2　容器的高度-體積對應(yīng)關(guān)系表(容積表)

4)計算高度值和體積值的相關(guān)系數(shù)，將容積表劃分為線性關(guān)系較好的幾個區(qū)間。計算各區(qū)間曲線的斜率和截距，得到體積和高度之間的線性計算公式(h為容器內(nèi)某一點的高度，V為在此高度時對應(yīng)的容器的體積，高度單位為m，體積單位為m3)：

0≤h<0.003，V=0.3333h;

0.003≤h≤0.013，V=0.1h+0.0007;

0.013

0.05≤h≤0.079，V=0.3407h-0.0071;

0.079

0.144

5)將密度ρ和壓力p代入4)中的計算公式，替換高度h，得到重量m的計算公式(質(zhì)量單位取kg，壓力單位取Pa，密度單位取kg/m3，g取10m/s2)：

6)在上位機中編寫上面的計算公式。將傳感器測量的壓力值信號送入上位機，并且在公式中輸入密度值，就可以測量出液體的重量。

完成上述1)～6)的操作后，往容器內(nèi)加水驗證測量的準確性，見表3。

表3　測量值與實際值的誤差表

從上表中可以看出，在0～500kg的測量范圍內(nèi)，最大測量絕對誤差為0.8kg。若要保證測量精度，要注意以下幾點：1)保證每次加水時測量的水的重量值和壓力值要特別準確；2)每一次的加水量更少，得到更多組體積和高度的對應(yīng)數(shù)據(jù)；3)劃分容積區(qū)間時，使每個區(qū)間內(nèi)體積和高度之間的線性關(guān)系更好。

4　結(jié)論

靜壓壓力傳感器是一種安裝方便、穩(wěn)定性好、測量精度高、價格便宜的測量儀表，有著很好的實用性。和重量傳感器相比，壓力傳感器在測量液體重量時有兩點需要注意：1)對于不規(guī)則容器需要準確地獲得容器的容積表；2)需要知道容器內(nèi)液體的密度值。

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[4]E+H. Deltapilot M FMB50,FMB51, FMB52, FMB53技術(shù)資料. http://www.cn.endress.com, 2012-08-17

[5]E+H. Deltapilot M FMB50,FMB51, FMB52, FMB53.簡明操作指南.http://www.cn.endress.com, 2012-01-25