摘要：針對現有各流量計機械結構較復雜、低流與微流難以檢測的不足,一種基于差壓原理的一種新型差壓液體流量計，該流量計以特制的導管和差壓傳感器作為流量檢測元件,用STC12C5410AD作為微處理器.檢測元件將差壓信號轉換為電信號,該電信號經儀表放大器放大后,用微處理器進行數據采集和處理,獲得流量和流速值.
0引言
流量的測量與控制在各個領域都非常重要并得到廣泛應用.現有的流量傳感器多種多樣,它們的原理有電磁[1,2]、超聲波[3,4]、渦輪[5]、光纖[6]、壓力等,超聲波式和渦輪式在各個領域得到普遍應用.然而,以上各種流量計由于機械或電氣等方面的原因對小流量和微小流量很難被檢測到,有些流量計機械結構方面比較復雜[7];有些不便于操作和實現自動控制[8].為了滿足變量噴霧機藥液流量檢測和控制的需要,提出了一種差壓式液體流量檢測方法[9].一種新型流量計,該流量計由特殊的導管、差壓傳感器、儀表放大電路、STC12C5410AD單片機和顯示按鍵電路等組成,該裝置與現有的流量計比較有以下的優點:1結構簡單,2量程寬,3性能較穩定,4誤差在±1%以內.
1流量檢測元件設計
差壓式液體流量傳感器的結構如圖1所示,主要由導液管和差壓式壓力傳感器組成.26PC差壓式壓力傳感器.導液管由輸入管、節流管、輸出管和兩個取壓管組成,兩個取壓管由輸入管和輸出管引出,用于把連接差壓傳感器,以便差壓傳感器檢測出這兩點的壓力差.
輸入管和輸出管的內徑比節流管大,取壓管的內徑通常較小.如圖1所示,輸入管、節流管和輸出管被連接成“一”字型,取壓管被對稱地接在輸入管與輸出管上.差壓式壓力傳感器,通過氣管被連在兩取壓管上.當有液體流過導液管時,輸入管與輸出管之間會產生的壓力差,輸入管壓力大于輸出管的壓力,由差壓式傳感器檢測這兩端的壓力差,并轉換成電壓信號.
文丘里管主要差別是低壓端取壓管不是從節流管引出,而是由輸出管引出,所以產生差壓的原理完全不同.文丘里管的壓力差是由兩個取壓點的流速差獲得,可以用來測量理想流體的流速,而本差壓流量計的差壓是由管道沿程損失和局部損失產生.現有流量計象渦輪式、超聲波式,電磁式流量計會受到尺寸太小限制,國內低流與微式流量計暫時沒有.差壓流量計的管道內沒有任何阻件,節流管內徑可大可小,這是優于其它流量計之處,節流管內徑越小,設計出的流量范圍就越小,推出了流量為0.1ml/s以下的流量計.壓力差大小與通過導液管的單位時間內液體流量(流速)有確定的關系,其關系可由以下等式來表達[10]
式中,Qv為單位時間的體積流量,T為流量計的轉換系數,Y為流體澎脹率,對于液體Y=1,g為當地重力加速度,P1-P2為輸入管與輸出管之間的壓力差,d為流體密度.等式(1)為用體積流量來表示,也可轉換為質量流量表示,如式(2)
式中,Qm差壓流量計的質量流量,其常與(1)相同從等式(1)和(2)可以清楚地看到當T,Y,g和d不變時,流量與壓力差的平方根成正比.流量轉換系數T是很復雜的一個常數,它決定于傳感器的結構和方法,比如與獲取壓力的方式和位置等因素有關.
2軟硬件設計
流量檢測元件中的差壓傳感器將所檢測到的差壓轉換成電信,并經后續電路放大,再送單片機進行AD采集和處理.
2.1硬件電路設計
壓力檢測傳感器采用26PC系列差壓傳感器,其內部電路為直流電橋,電橋用12V電源供電,其輸出端接儀表放大電路,如圖2所示.此電路所輸出的電壓與傳感器所受到的差壓成線線關系[9],即Vo∝(P1-P2),因此有
式中,k為壓力差與輸出電壓之間的轉換系數,由式(3)可見,液體的體積流量(質量流量或流速)與檢測電路所輸出的電壓的平方根成正比,只要AD轉換器對電壓進行采集,便可換算成流量.本系統中,采用STC12C5410AD單片機進行數據處理,此芯片內部自帶八路10位ADC模數轉換電路,當采用22M晶振時,采樣時間僅為10μs,能滿足設計要求.
2.2軟件設計
流量計的數據采集、數據處理和數據顯示主要單片機的軟件是完成的關鍵,首先將儀表放大電路輸出的電壓送單片機進行AD數據采集,將采樣結果進行轉換,將電壓值轉成流量值,然后送顯示器進行顯示.其工作流程如圖3所示.
3實驗標定與結果
3.1實驗裝置
為了證實所提出的方法的可行性,完成了大量的實驗,并對傳感器進行了標定.實驗裝置主要由被標定的流量計、增壓泵、水閥、量筒和水池等組成,如圖4所示.為了簡化實驗過程,把水當作測試樣品.
在實驗系統中,導液管輸入管和輸出管內徑為3.6mm,節流管內徑為1.4mm,節流管長54cm,兩個取壓管內徑為1.4mm;壓力傳感器采用了26PCBFA6D型,放大電路放大倍數約為37dB;單片機控制系統采用了STC12C5410AD作為微處理器.單片機控制器主要有計時、電壓采樣、流量處理、流量累計和顯示等功能.
3.2標定實驗及數據處理
在水溫為25℃的條件下進行了標定實驗.當水流過導液管時,固定流速不變,用單片機記錄時間、采集放大電路輸出的電壓,同時用量筒測量這一時間內流過水的體積.調節水閥改變流速,重復操作,得出一電壓隨流速變化的一組實驗數據.由量筒所測得的水的體積和單片機所記錄的時間,可以計算出不的體積流量,以體積流量作為橫坐標,單片機AD采集所獲得的數值作為縱坐標,并經曲線擬合,可以得到圖5.其擬合曲線公式為
Vo=4.2729Q2v+9.6063Qv+8.5132,
由式(4)可知,電壓是流量的二次曲線.將電壓的平方根與流量進行曲線擬合可得到圖6示曲線,其關系可表達為
上式經變形可得到式(6)
式(6)與式(3)相比,除多一個常量外,形式基本上是一致的,也就證明了所設計流量計理上是正確的.
由等式(6)可知,只要用單片機采集電壓值,就可以換算得到液體的流量值.將公式(6)入程序后,用此流量計進行了流量測試,流量計測量結果和實際流量數據所圖7所示.
圖7中的實驗數據表明,流量計測得數據和實際測得的數據從1mL/s到15ml/的范圍里基本上成一條直線,在以上量程范圍里最大誤差不超過±1%.
4結論
一種新型差壓式液體流量計,由于節流管內部沒有任何阻件,內徑大小不受限制,所以能設計的流量范圍寬.在25℃溫度時,流量計以水作為工作流體進行實驗標定和實際測試,結果發現實驗數據與理論推算吻合,誤差在±1%以內,能夠滿足變量噴霧機藥液檢測的要求.然而,流量會受溫度的影響,溫度補償問題有待進一步研究.
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