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)，研究的差壓流量計(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) 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。α 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) ε =1; 可壓縮性流體時(shí) ε＜1; F0 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)，F(xiàn)0 = π4 d2 ; 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，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。

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 R3 加入傳感器，一個(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。

2．3 A /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(diǎn)，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(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 F0 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)一步的深入和完善。