摘要:智能差壓流量計(jì)因結(jié)構(gòu)簡單,操作方便得到廣泛應(yīng)用。本文從流量的特點(diǎn)入手,結(jié)合節(jié)流裝置的工作特點(diǎn)，差壓流量計(jì)能實(shí)時(shí)當(dāng)前流體的質(zhì)量流量和流體的密度,該流量計(jì)能廣泛應(yīng)用于不同流體的質(zhì)量流量測量,而且安裝和設(shè)置方便,不同的流體只有通過按鍵輸入流量系數(shù)和流體膨脹的校正系數(shù),按照步驟安裝好后就能實(shí)時(shí)顯示待測流體的流量。
流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過管道某截面液體的體積或質(zhì)量。流體的總量對于計(jì)量物質(zhì)的損耗與儲存等具有重要的意義,在日常生活中常常要對一段時(shí)間內(nèi)流過的液體量進(jìn)行測量,測量總量的儀表一般稱為流體計(jì)量表或流量計(jì)。工業(yè)應(yīng)用中,因不同流體的粘度、導(dǎo)電性.腐蝕性等不一樣，因此不同流體的測量方法也不盡相同,市場上為了滿足不同流體的測量要求,流量計(jì)的種類也比較多。流量計(jì)中差壓型流量計(jì)是使用量廣的一種流量計(jì),廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、化工、天然氣等部門,該流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、適應(yīng)性強(qiáng)安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。本文主要以差壓流量計(jì)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用著手進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。
1測量方案與原理
差壓式流量計(jì)又叫節(jié)流式流量計(jì),它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生壓力差的原理來實(shí)現(xiàn)流量測量的。在實(shí)際測量中，要利用節(jié)流裝置把被測流體的流量轉(zhuǎn)換成差壓信號,主要原因是安裝在管道中節(jié)流裝置使得連續(xù)流動(dòng)的流體因流體流邇面積突然縮小而形成流束收縮，使得流速加快,擠過節(jié)流孔后,流速又降低。由能量守恒在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓力差(靜壓差)△p=p1-p2,因是節(jié)流裝置,所以有p1>p2。壓力差p1-p2大小與流過的流體流量之間有一定的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)壓力差就可以求得流量。質(zhì)量流量與壓力差的關(guān)系式為:
式中各參數(shù)的意義和單位規(guī)定如下:qm為質(zhì)量流量,kg/s。a為流量系數(shù),可由實(shí)驗(yàn)確定。通常根據(jù)節(jié)流件形式、管道情況、雷諾數(shù)、流體性質(zhì)、取壓方式等查表得到;ε為流體膨脹的校正系數(shù),通.常在0.9~1.0之間。不可壓縮流體時(shí)g=1;可壓縮性流體時(shí)ε<l;F。為節(jié)流件開孔面積m2。。當(dāng)已知節(jié)流件開孔直徑d(m)時(shí),
ρ為流體密度,kg/m3;△p=p1-p2,為節(jié)流件前后的壓力差Pa。根據(jù)在圖1中根據(jù)流體的流向,安裝好節(jié)流裝置,在節(jié)流裝置11和22管壁處的流體靜壓力產(chǎn)生差異,由位移傳感器得到壓力差的高度,在A處安裝標(biāo)準(zhǔn)的容積和壓力傳感器,得到流體密度的大小。
為了便于測量,將差壓信號進(jìn)行放大,濾波,在利用微處理器進(jìn)行控制,使之能方便記錄、存儲和顯示。在圖1中,利用位移傳感器可以測量出節(jié)流裝置11和22管壁處的流體靜壓力,將壓力的變化通過電橋的作用，使之轉(zhuǎn)換為電壓的變化,為了便于微處理器能控制,將其信號進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于要測量質(zhì)量流量,在A處的壓力傳感器可以測量得到流體密度的大小(測量密度的原理是A出的容積是標(biāo)定已知的,邇過質(zhì)量大小除以容積即可以得到)。由此得到測量原理框圖如圖2所示。
2硬件電路的分析與設(shè)計(jì)
根據(jù)測量原理框圖,將各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)如下:
2.1電橋電路
電橋電路是將壓力的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號的變化,在實(shí)際測量中先調(diào)節(jié)電橋平衡,為了提高精度,減小非線性誤差,選擇將R1和R2加入傳感器,-個(gè)增加,另外一個(gè)減小。
2.2電壓放大電路
由電橋輸入的微弱的信號,通過電壓放大器放大后,便于A/D轉(zhuǎn)換器處理,采用了差分放大電路,能夠抑制共模信號。
2.3A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)
此工作可由單片機(jī)內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換器完成,但發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的10位AD芯片處理效果不是很好。采用了兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片,對輸出的信號轉(zhuǎn)換,使用單片機(jī)控制計(jì)算,然后送人液晶顯示其質(zhì)量流量的大小。
AD1674是--片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片,具有外接元件少,功耗低,精度高等特點(diǎn),并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能,只需外接少量的電阻和電容元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。AD8326是TI公司推出的16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換速度快,線性度好精度高。電路的連接圖,如圖5和圖6所示。
2.4顯示電路
本電路采用12864液晶來實(shí)時(shí)顯示輸出的流體質(zhì)量流量和密度的大小。該液晶具有屏幕反應(yīng)速度快、對比度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。為了簡化電路,采用串口連接。在單片機(jī)的控制下,按照要求的格式顯示接收到的數(shù)據(jù)和字符信息。圖7為液晶顯示的連接圖。其中D0~D7為數(shù)據(jù)口,R/W為液晶讀寫信號,E是使能端。
3軟件控制設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)所采集的是電壓放大電路輸出的信號,通過AD轉(zhuǎn)換后,單片機(jī)從而對兩路模擬信號進(jìn)行處理,并與流量系數(shù)、節(jié)流件開孔面積FO及ε進(jìn)行計(jì)算,將測得的數(shù)據(jù)用液晶適時(shí)的顯示出來,便于觀察。軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖8所示。
智能技術(shù)已成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù),采用智能技術(shù)將是傳感器檢測領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展方向,所研究和制作的智能差壓流量計(jì)只是流量檢測的一個(gè)縮影,雖然能根據(jù)流體的性質(zhì)修改相關(guān)參數(shù),實(shí)時(shí)顯示流體的質(zhì)量流量和密度,但達(dá)到全智能還有一段距離,-一些技術(shù)要進(jìn)一-步的深人和完善。
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