淺析智能差壓流量計工作原理及其產(chǎn)品制造

 　　　　差壓流量計是利用流體介質(zhì)中壓力差來進行流量測量的流量計，節(jié)流裝置，壓力傳感器與差壓變送器是其三大關鍵性部件，在實際生產(chǎn)中差壓流量計的類型有多種，孔板流量計，V錐流量計，楔形流量計，威力巴流量計，阿牛巴流量計，一體化孔板，多孔板都是非常普遍存在的形式。因為差壓流量計的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便得到**應用。本文從流量的特點入手，結(jié)合節(jié)流裝置的工作特點，研究的差壓流量計能實時當前流體的質(zhì)量流量和流體的密度，該流量計能**應用于不同流體的質(zhì)量流量測量，而且安裝和設置方便，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時顯示待測流體的流量。


 
　　　　流量是指單位時間內(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間內(nèi)流過的液體量進行測量，測量總量的儀表一般稱為流體計量表或流量計。工業(yè)應用中，因不同流體的粘度、導電性、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，流量計的種類也比較多。流量計中差壓型流量計是使用量廣的一種流量計，**應用于工礦企業(yè)、化工、天然氣等部門，該流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、適應性強、安裝方便等優(yōu)點。本文主要以差壓流量計的設計與應用著手進行研究和設計。
 
 
　　1 測量方案與原理
　　差壓式流量計又叫節(jié)流式流量計，它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生壓力差的原理來實現(xiàn)流量測量的。在實際測量中，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)流動的流體因流體流通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) Δp = 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。α 為流量系數(shù)，可由實驗確定。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ε = 1; 可壓縮性流體時ε＜1; F0為節(jié)流件開孔面積m2。當已知節(jié)流件開孔直徑d ( m) 時，F(xiàn)0 =π4d2 ; ρ 為流體密度，kg /m3 ; Δp = 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 處安裝標準的容積和壓力傳感器，得到流體密度的大小。

　　圖1 流量計原理示意圖
　　為了便于測量，將差壓信號進行放大，濾波，在利用微處理器進行控制，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 出的容積是標定已知的，通過質(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。

　　圖2 測量原理框圖
　　2 硬件電路的分析與設計
　　根據(jù)測量原理框圖，將各個部分的電路設計如下:
　　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R3加入傳感器，一個增加，另外一個減小。

　　圖3 電橋電路
　　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。

　　圖4 差分放大電路
　　2．3 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設計
　　此工作可由單片機內(nèi)部的10 位AD 轉(zhuǎn)換器完成，但發(fā)現(xiàn)單片機的10 位AD 芯片處理效果不是很好。采用了兩個AD 轉(zhuǎn)換芯片，對輸出的信號轉(zhuǎn)換，使用單片機控制計算，然后送入液晶顯示其質(zhì)量流量的大小。
　　AD1674 是一片高速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，并且具有自動校零和自動極性轉(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。

　　圖5 AD8326 轉(zhuǎn)換電路
　　圖6 AD1674 轉(zhuǎn)換電路
　　2．4 顯示電路
　　本電路采用12864 液晶來實時顯示輸出的流體質(zhì)量流量和密度的大小。該液晶具有屏幕反應速度快、對比度高、功耗低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)友好的人機交互。為了簡化電路，采用串口連接。在單片機的控制下，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。

　　圖7 液晶顯示電路
　　3 軟件控制設計
　　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，單片機從而對兩路模擬信號進行處理，并與流量系數(shù)、節(jié)流件開孔面積F0 及ε 進行計算，將測得的數(shù)據(jù)用液晶適時的顯示出來，便于觀察。軟件設計流程圖，如圖8 所示。

　　智能技術已成為推動科學技術的關鍵技術，采用智能技術將是傳感器檢測領域的一個重要的發(fā)展方向，所研究和制作的智能差壓流量計只是流量檢測的一個縮影，雖然能根據(jù)流體的性質(zhì)修改相關參數(shù)，實時顯示流體的質(zhì)量流量和密度，但達到全智能還有一段距離，一些技術要進一步的深入和完善。

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