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金湖凱銘儀表有限公司

智能差壓流量計實時測量質(zhì)量流量的研究

時間:2017-7-31閱讀:503
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流量是指單位時間內(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間內(nèi)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(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,流量計的種類也比較多。流量計中差壓型流量計是使用量zui廣的一種流量計,廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、化工、天然氣等部門,該流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、適應(yīng)性強、安裝方便等優(yōu)點。本文主要以差壓流量計的設(shè)計與應(yīng)用著手進行研究和設(shè)計。

1 測量方案與原理
      差壓式流量計又叫節(jié)流式流量計,它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生壓力差的原理來實現(xiàn)流量測量的。在實際測量中,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)Δp=p 1-p
2 ,因是節(jié)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(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:q m 為質(zhì)量流量,kg/s。為流量系數(shù),可由實驗確定。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 可壓縮性流體時 F 0 為節(jié)流件開孔面積 m 2 。當已知
節(jié)流件開孔直徑 d (m)時,F(xiàn) 0 =4d 2 為流體密度,kg/m 3 ;Δp=p 1-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(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。圖 2 測量原理框圖
 

2 硬件電路的分析與設(shè)計
     根據(jù)測量原理框圖,將各個部分的電路設(shè)計如下:

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 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路的設(shè)計
     此工作可由單片機內(nèi)部的 10 位 AD 轉(zhuǎn)換器完成,但發(fā)現(xiàn)單片機的 10 位 AD 芯片處理效果不是
很好。采用了兩個 AD 轉(zhuǎn)換芯片,對輸出的信號轉(zhuǎn)換,使用單片機控制計算,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,并且具有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。

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