浅析智能差压流量计工作原理及其产品制造

 　　　　差压流量计是利用流体介质中压力差来进行流量测量的流量计，节流装置，压力传感器与差压变送器是其三大关键性部件，在实际生产中差压流量计的类型有多种，孔板流量计，V锥流量计，楔形流量计，威力巴流量计，阿牛巴流量计，一体化孔板，多孔板都是非常普遍存在的形式。因为差压流量计的结构简单，操作方便得到**应用。本文从流量的特点入手，结合节流装置的工作特点，研究的差压流量计能实时当前流体的质量流量和流体的密度，该流量计能**应用于不同流体的质量流量测量，而且安装和设置方便，不同的流体只有通过按键输入流量系数和流体膨胀的校正系数，按照步骤安装好后就能实时显示待测流体的流量。


 
　　　　流量是指单位时间内流过管道某截面液体的体积或质量。流体的总量对于计量物质的损耗与储存等具有重要的意义，在日常生活中常常要对一段时间内流过的液体量进行测量，测量总量的仪表一般称为流体计量表或流量计。工业应用中，因不同流体的粘度、导电性、腐蚀性等不一样，因此不同流体的测量方法也不尽相同，市场上为了满足不同流体的测量要求，流量计的种类也比较多。流量计中差压型流量计是使用量广的一种流量计，**应用于工矿企业、化工、天然气等部门，该流量计具有结构简单、使用寿命长、适应性强、安装方便等优点。本文主要以差压流量计的设计与应用着手进行研究和设计。
 
 
　　1 测量方案与原理
　　差压式流量计又叫节流式流量计，它是利用流体流经节流装置时产生压力差的原理来实现流量测量的。在实际测量中，要利用节流装置把被测流体的流量转换成差压信号，主要原因是安装在管道中节流装置使得连续流动的流体因流体流通面积突然缩小而形成流束收缩，使得流速加快，挤过节流孔后，流速又降低。由能量守恒在节流件前后产生压力差( 静压差) Δp = p1－p2，因是节流装置，所以有p1＞p2。压力差p1－p2大小与流过的流体流量之间有一定的函数关系，根据压力差就可以求得流量。质量流量与压力差的关系式为:
　　
　　式中各参数的意义和单位规定如下: qm为质量流量，kg /s。α 为流量系数，可由实验确定。通常根据节流件形式、管道情况、雷诺数、流体性质、取压方式等查表得到; ε 为流体膨胀的校正系数，通常在0．9～1．0 之间。不可压缩流体时ε = 1; 可压缩性流体时ε＜1; F0为节流件开孔面积m2。当已知节流件开孔直径d ( m) 时，F0 =π4d2 ; ρ 为流体密度，kg /m3 ; Δp = p1 －p2，为节流件前后的压力差Pa。
　　根据在图1 中根据流体的流向，安装好节流装置，在节流装置11 和22 管壁处的流体静压力产生差异，由位移传感器得到压力差的高度，在A 处安装标准的容积和压力传感器，得到流体密度的大小。

　　图1 流量计原理示意图
　　为了便于测量，将差压信号进行放大，滤波，在利用微处理器进行控制，使之能方便记录、存储和显示。在图1 中，利用位移传感器可以测量出节流装置11 和22 管壁处的流体静压力，将压力的变化通过电桥的作用，使之转换为电压的变化，为了便于微处理器能控制，将其信号进行放大和模数转换。由于要测量质量流量，在A 处的压力传感器可以测量得到流体密度的大小( 测量密度的原理是A 出的容积是标定已知的，通过质量大小除以容积即可以得到) 。由此得到测量原理框图如图2所示。

　　图2 测量原理框图
　　2 硬件电路的分析与设计
　　根据测量原理框图，将各个部分的电路设计如下:
　　2．1 电桥电路电桥电路是将压力的变化转换成电压信号的变化，在实际测量中先调节电桥平衡，为了提高精度，减小非线性误差，选择将R1和R3加入传感器，一个增加，另外一个减小。

　　图3 电桥电路
　　2．2 电压放大电路
　　由电桥输入的微弱的信号，通过电压放大器放大后，便于A/D 转换器处理，采用了差分放大电路，能够抑制共模信号。

　　图4 差分放大电路
　　2．3 A/D 转换电路的设计
　　此工作可由单片机内部的10 位AD 转换器完成，但发现单片机的10 位AD 芯片处理效果不是很好。采用了两个AD 转换芯片，对输出的信号转换，使用单片机控制计算，然后送入液晶显示其质量流量的大小。
　　AD1674 是一片高速12 位逐次比较型A/D 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的电阻和电容元件即可构成一个完整的A/D 转换器。AD8326 是TI 公司推出的16 位高速模数转换器，其转换速度快，线性度好，精度高。电路的连接图，如图5 和图6 所示。

　　图5 AD8326 转换电路
　　图6 AD1674 转换电路
　　2．4 显示电路
　　本电路采用12864 液晶来实时显示输出的流体质量流量和密度的大小。该液晶具有屏幕反应速度快、对比度高、功耗低等优点，可以实现友好的人机交互。为了简化电路，采用串口连接。在单片机的控制下，按照要求的格式显示接收到的数据和字符信息。图7 为液晶显示的连接图。其中D0 ～D7 为数据口，R/W 为液晶读写信号，E 是使能端。

　　图7 液晶显示电路
　　3 软件控制设计
　　本系统所采集的是电压放大电路输出的信号，通过AD 转换后，单片机从而对两路模拟信号进行处理，并与流量系数、节流件开孔面积F0 及ε 进行计算，将测得的数据用液晶适时的显示出来，便于观察。软件设计流程图，如图8 所示。

　　智能技术已成为推动科学技术的关键技术，采用智能技术将是传感器检测领域的一个重要的发展方向，所研究和制作的智能差压流量计只是流量检测的一个缩影，虽然能根据流体的性质修改相关参数，实时显示流体的质量流量和密度，但达到全智能还有一段距离，一些技术要进一步的深入和完善。

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