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最廣的一種流量計，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通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)Δp=p 1－p

2 ，因是節流裝置，所以有 p 1 ＞p 2 。壓力差 p 1－p

2 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:

q m =aεF 0 2ρΔ槡

p =aεF 0 2ρ(p 1－p2槡)

 

式中各參數的意義和單位規定如下:q m 為質量流量，kg/s。α 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 ε =1;可壓縮性流體時 ε＜1;F 0 為節流件開孔面積 m 2 。當已知

節流件開孔直徑 d (m)時，F 0 =4d 2 ;ρ 為流體密度，kg/m 3 ;Δp=p 1－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，通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。圖 2 測量原理框圖

 

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 R 1 和 R 3 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 轉換器處理，采用了差分放大路，能夠抑制共模信號。圖 4 差分放大電路

 

2．3 A/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，然后送入液晶顯示其質量流量的大小。

 

            AD1674 是一片高速 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。

 

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