静压压力传感器在测量液体重量上的应用

黄　亮　谷晓懂　杨志强　刘建平　李　昕　刘　杰　陈钇辛　郭睿涵

(川渝中烟工业有限责任公司四川子公司成都分厂，成都 610066)

0　引言

静压压力传感器用于液体和浆料的静压测量，同时能测量出液体的液位、体积和质量，适用于化工、制药、食品和饮料等行业所有过程测量领域，具有重复性好、稳定性高、量程比大、测量精度高、安装简便、价格低廉等优点。

1　静压测量原理

图1为静压压力传感器测量容器内液体压力的示意图。作用于传感器测量单元上方隔离膜片上的压力p1=p大气压力+p液体静压力，作用于传感器测量单元下方隔离膜片上的压力p2=p大气压力，作用于测量单元上的压力p=p1-p2=p液体静压力。

图1　测量原理示意图

2　液体重量的测量方法

下面介绍一种通过静压压力传感器测量容器内液体的压力，经过计算得到液体重量的方法。这种方法对测量不规则容器(容器的高度和体积呈非线性关系)内液体的重量具有很好的实用性，具体方法如下。

1)空容器时，校准传感器的零位，然后往容器内逐次倒入水直到容器的最大容量。记录每一次倒入的水的重量值m和压力值p。倒水前用电子秤称出水的重量值，倒水后压力传感器会显示出压力值。对于规则容器，只需要记录最大容量时液体的压力值和重量值。对于不规则容器，根据其形状特点，需要在容量范围内记录液体的多组压力值和重量值。每次加水量越少，记录的压力值和重量值的组数越多，最后测量出的液体重量越准确。

2)将重量值m转换为体积值V，压力值p转换为高度值h。体积V=m/ρ；h=p/(ρg)。计算后得到容器固有的高度h和体积V的对应关系，即容器的容积表。

3)将容器的容积表划分为线性关系较好的几个区间。这里可以使用EXCEL中的(CORREL())^2函数计算某一个区间内高度值和体积值的相关系数，相关系数越大表明该区间高度和体积的线性关系越好。然后使用EXCEL中的SLOPE()函数和INTERCEPT()函数计算各区间曲线的斜率k和截距b，得到该区间体积V和高度h之间的线性计算公式：V=kh+b。

5)将计算公式写入上位机程序，便可测量出液体的重量。

3　具体应用实例

下面以一个底部为近似圆锥形、上部为圆柱形的容器为例，介绍测量容器内液体重量的方法。

1)检查空容器时压力传感器显示的压力值是否为0，若不为0，首先校准传感器的零位。

2)往空容器内逐次加水至最大容量。记录每次加入的水的压力值和重量值，见表1。

3)根据压力和重量计算出高度和体积，得到容器的高度-体积对应关系表，见表2(g取10m/s2)。

表1　容器内液体的压力-重量对应关系表

表2　容器的高度-体积对应关系表(容积表)

4)计算高度值和体积值的相关系数，将容积表划分为线性关系较好的几个区间。计算各区间曲线的斜率和截距，得到体积和高度之间的线性计算公式(h为容器内某一点的高度，V为在此高度时对应的容器的体积，高度单位为m，体积单位为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)将密度ρ和压力p代入4)中的计算公式，替换高度h，得到重量m的计算公式(质量单位取kg，压力单位取Pa，密度单位取kg/m3，g取10m/s2)：

6)在上位机中编写上面的计算公式。将传感器测量的压力值信号送入上位机，并且在公式中输入密度值，就可以测量出液体的重量。

完成上述1)～6)的操作后，往容器内加水验证测量的准确性，见表3。

表3　测量值与实际值的误差表

从上表中可以看出，在0～500kg的测量范围内，最大测量绝对误差为0.8kg。若要保证测量精度，要注意以下几点：1)保证每次加水时测量的水的重量值和压力值要特别准确；2)每一次的加水量更少，得到更多组体积和高度的对应数据；3)划分容积区间时，使每个区间内体积和高度之间的线性关系更好。

4　结论

静压压力传感器是一种安装方便、稳定性好、测量精度高、价格便宜的测量仪表，有着很好的实用性。和重量传感器相比，压力传感器在测量液体重量时有两点需要注意：1)对于不规则容器需要准确地获得容器的容积表；2)需要知道容器内液体的密度值。

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