便携式空气密度精密测量仪的研制

　　1　引言

　　空气密度测量在力学、化学、电磁、放射性计量检定,气象监测,科学研究部门,制药厂及医院等单位和部门是必不可少的。空气密度测量最常用的方法是浮力法和温、湿、压法:浮力法是抽空玻璃瓶比较称重的方法,它能较为准确地测量空气的密度,但其测量装置成本较高,测试过程过于复杂,难以应用在常规测试中;温、湿、压法是利用测量空气的温度、湿度、压力,通过查表或计算得出空气密度的方法。这种方法不仅便于实现,而且对高精度的测试系统(如采用标准装置测量)几乎具有和浮力法一样的测量精度,因而有着广泛的应用前景[1,2]。目前,我国尚无高精度、能直接测量空气密度的计量仪器,对空气密度的测量还只能采用对温、湿、压参数分散测量、人工计算的方法。这种方法不仅测量过程十分烦琐,也难以保证高精度测量。研制便携式空气密度精密测量仪正是为了简化空气密度的测量过程,实现数据处理自动化和测量的高精度。

　　2　基本原理和方法

　　采用“温、湿、压”法测量空气密度的原理是基于国际计量局推荐的空气密度计算公式:ρ=[3·485 35+1·44(XCO2-0·000 4)×10-3×P(1-0·378 0Xv)]/(ZT)式中:XCO2为CO2的摩尔分率,Xv为水蒸汽的摩尔分率,T为热力学温度,P为大气压力,Z为空气的压缩系数[3]。

　　从上式可以看出:只要精确测量空气的温度、湿度、压力各参数即可求出空气密度。由此确定了以温、湿、压传感器为基础,利用单片机进行数据处理的基本方案,设计出了空气密度测量仪。该仪器主要包括敏感器件、信号调、信号处理及数据显示等几部分,图1为其设计结构图。

　　3　空气密度测量仪设计

　　3·1　硬件设计

　　在本系统中,硬件设计主要包括前向通道和后向通道的设计。前向通道是数据的采集通道,是模拟信号的传感、变换直至送入CPU处理的过程;后向通道即数字化处理过程,包括屏幕显示、打印机输出等。前向通道的信号采集、传输、放大精度及系统稳定性直接决定了空气密度测量仪的性能,其基本构成如图2所示。

　　信号调理电路中INA101AG放大器的非线性度为0·002%,并具有高输入阻抗和接近于0的输出阻抗,这是弱信号放大电路的基础;模拟输入通道采用干簧管切换开关,其导通电阻几乎为0且无温度漂移,满足了系统的低温度漂移设计要求;根据湿度和压力的温度系数,利用软件进行温度漂移修正,这对确保仪器的低温度漂移特性是至关重要的。

　　高精度温度测量电路的设计是实现仪器高精度性能的难点和关键。设计中必须考虑精密电阻的阻值温度效应,电路元器件的非线性附加误差。其次,对于常温测量,敏感元件与变送电路处于同一测试环境中,信号线的固有电阻、接插件接触电阻、焊接点及印刷电路阻值等均与敏感元件随环境温度一起变化,因此必须采用软件与硬件措施,严密进行误差补偿,将误差控制在允许的范围之内。图3为以二等标准铂电阻为敏感器件的温度变送器电路原理图。