摘要:智能差壓流量計因結構簡單,操作方便得到廣泛應用。本文從流量的特點入手,結合節流裝置的工作特點，差壓流量計能實時當前流體的質量流量和流體的密度,該流量計能廣泛應用于不同流體的質量流量測量,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和流體膨脹的校正系數,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流過管道某截面液體的體積或質量。流體的總量對于計量物質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,廣泛應用于工礦企業、化工、天然氣等部門,該流量計具有結構簡單、使用壽命長、適應性強安裝方便等優點。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流式流量計,它是利用流體流經節流裝置時產生壓力差的原理來實現流量測量的。在實際測量中，要利用節流裝置把被測流體的流量轉換成差壓信號,主要原因是安裝在管道中節流裝置使得連續流動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,擠過節流孔后,流速又降低。由能量守恒在節流件前后產生壓力差(靜壓差)△p=p1-p2,因是節流裝置,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關系，根據壓力差就可以求得流量。質量流量與壓力差的關系式為:
式中各參數的意義和單位規定如下:qm為質量流量,kg/s。a為流量系數,可由實驗確定。通常根據節流件形式、管道情況、雷諾數、流體性質、取壓方式等查表得到;ε為流體膨脹的校正系數,通.常在0.9~1.0之間。不可壓縮流體時g=1;可壓縮性流體時ε<l;F。為節流件開孔面積m2。。當已知節流件開孔直徑d(m)時,
ρ為流體密度,kg/m3;△p=p1-p2,為節流件前后的壓力差Pa。根據在圖1中根據流體的流向,安裝好節流裝置,在節流裝置11和22管壁處的流體靜壓力產生差異,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。
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轉換。由于要測量質量流量,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,邇過質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計
根據測量原理框圖,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換成電壓信號的變化,在實際測量中先調節電橋平衡,為了提高精度,減小非線性誤差,選擇將R1和R2加入傳感器,-個增加,另外一個減小。
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轉換電路的設計
此工作可由單片機內部的10位AD轉換器完成,但發現單片機的10位AD芯片處理效果不是很好。采用了兩個AD轉換芯片,對輸出的信號轉換,使用單片機控制計算,然后送人液晶顯示其質量流量的大小。
AD1674是--片高速12位逐次比較型A/D轉換器,內置雙極性電路構成的混合集成轉換顯片,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換功能,只需外接少量的電阻和電容元件即可構成一個完整的A/D轉換器。AD8326是TI公司推出的16位高速模數轉換器,其轉換速度快,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液晶來實時顯示輸出的流體質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、功耗低等優點,可以實現友好的人機交互。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據和字符信息。圖7為液晶顯示的連接圖。其中D0~D7為數據口,R/W為液晶讀寫信號,E是使能端。
3軟件控制設計
本系統所采集的是電壓放大電路輸出的信號,通過AD轉換后,單片機從而對兩路模擬信號進行處理,并與流量系數、節流件開孔面積FO及ε進行計算,將測得的數據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,雖然能根據流體的性質修改相關參數,實時顯示流體的質量流量和密度,但達到全智能還有一段距離,-一些技術要進一-步的深人和完善。
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