摘 要:文章提出了差壓流量測(cè)量系統(tǒng)方案,重點(diǎn)介紹了差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)組成部分,對(duì)將流量Q轉(zhuǎn)換為與之成線形關(guān)系的數(shù)字輸出也進(jìn)行了詳細(xì)的公式推導(dǎo)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,對(duì)測(cè)量出流體的流量有著方便、可靠性高、測(cè)量精度準(zhǔn)確的特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域的流量測(cè)量。
關(guān)鍵詞:節(jié)流式流量計(jì);電容式差壓傳感器;變壓器電橋;AD736;開方器;MC14433;LED
中圖法分類號(hào):TEl51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004-9134(2005)02—0053-03
0 引 言
流量測(cè)量在環(huán)保工程、交通運(yùn)輸、生物技術(shù)、科研實(shí)驗(yàn)、海洋氣象、江河湖泊等方面有著重要的用途。因?yàn)榱髁渴莿?dòng)態(tài)量,其流量測(cè)量的難度較大,特別是在現(xiàn)場(chǎng)工作條件惡劣情況下,不僅影響其可靠性,也難以保證準(zhǔn)確度?;谏鲜鲆蛩?,本文提出了一個(gè)差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)方案。差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)通過將流量轉(zhuǎn)化為壓差的方法,在很大程度上減小了上述不利因素條件的影響⋯1。另外,在進(jìn)行液體、水蒸氣、氣體等流量的測(cè)量時(shí),人們采用過多種類型的流量計(jì),其中節(jié)流機(jī)構(gòu)的差壓流量計(jì)應(yīng)用最多[sup][2.3][/sup].這是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單,而且有豐富的數(shù)據(jù)和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)。因此,節(jié)流裝置作為過程檢測(cè)儀表,其可信度比任何其它儀表都受人們的重視。
1 系統(tǒng)組成及工作流程
差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)的組成及工作流程簡化框圖如圖1所示。被測(cè)對(duì)象是流體的流量p,流量經(jīng)節(jié)流式流量計(jì)產(chǎn)生靜壓差,其大小與流體流量有關(guān),再經(jīng)過電容式差壓傳感器和變壓器電橋轉(zhuǎn)化為電壓輸出。有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器和平方器對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,最后通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并通過LED顯示出來。
[b]2 節(jié)流式流量計(jì)
2.1 節(jié)流式流量計(jì)的基本原理[/b]
節(jié)流式流量計(jì)的工作原理如圖2所示。當(dāng)流體通過設(shè)置在管道中的節(jié)流件時(shí),造成流束局部收縮,其流速提高,壓力減小,在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓差,此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計(jì)中,因標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、研究最充分、已標(biāo)準(zhǔn)化而得到最廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)圖2可以看出,裝在管道中的孔板是一片帶有圓孔的薄板??椎闹行奈挥诠茏拥闹行木€上。假定流體是不可壓縮的,其粘性可以忽略不計(jì),而且是穩(wěn)流的,那么,對(duì)于通過截面1和截面2的流體可由伯努利方程和連續(xù)方程來表示:
式(1)、(2)中,υ[sub]1[/sub]、υ[sub]2[/sub]為截面1、截面2處的平均流速;P1、P2為截面1、截面2處的壓力;A1、A2為截面1、截面2的橫截面積;ρ為流體密度。
ρ[sub]1[/sub]ρ[sub]2[sub]一般稱為靜壓,

稱為動(dòng)壓。從式(1)和式(2)可求出流體體積流量Q:
式(3)是在理想情況下推導(dǎo)出來的,在實(shí)際應(yīng)用中必須加上各種修正。從圖2可以看出,流體通過節(jié)流機(jī)構(gòu)以后,截面縮小了,由于流體存在慣性,所以縮小了的流束的最小橫截面A2應(yīng)該是在距節(jié)流機(jī)構(gòu)稍微往下遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方,即A2應(yīng)比節(jié)流機(jī)構(gòu)的開口面積A0要小,這個(gè)現(xiàn)象叫做縮流。又由于流體存在粘性的影響,因此,必須對(duì)實(shí)用的節(jié)流機(jī)構(gòu)在實(shí)際測(cè)定時(shí)加修正系數(shù)口。同時(shí),考慮到流體的可壓縮性,也必須對(duì)式
(3)進(jìn)行可壓縮性修正,由此,式(3)可表示為:
由式(5)可知,壓差與流量的平方成正比。
2.2 節(jié)流裝置選型
孔板一般用于測(cè)量干凈的液體、氣體和低速蒸汽,對(duì)于高速(30 m/s)的蒸汽流的流量測(cè)量多選用噴嘴,而臟污流的流量測(cè)量可用文丘管。
3 電容式差壓傳感器
常用的電容式差壓傳感器,如圖3所示[sup][4][/sup] 當(dāng)被測(cè)差壓作用在兩側(cè)隔離膜片上時(shí),差壓通過硅油傳遞到定極板,使其產(chǎn)生撓曲變形,引起電容差動(dòng)地改變。據(jù)推導(dǎo),電容式差壓傳感器兩個(gè)差動(dòng)電容C[sub]1[/sub]和C[sub]2[/sub]與差壓(p[sub]1[/sub]、P[sub]2[/sub])的關(guān)系為:
式(6)中,口為動(dòng)極板的工作半徑;T為動(dòng)極板的初始張力;d[sub]0[/sub]為定、動(dòng)極板的初始距離。
4 變壓器電橋
變壓器電橋如圖4所示,

為恒流源[sup][5][/sup]COM為模擬地。
由式(5)及式(6)可得變壓器電橋輸出交流電壓為:
5 有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器
系統(tǒng)選用有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器AD736[sup][6][/sup]。其主要特點(diǎn)是:準(zhǔn)確度高,靈敏性好,測(cè)量速率快。AD736采用雙列直插式8腳封裝,其管腳排列及AD736在雙電源供電時(shí)的高阻抗應(yīng)用電路如圖5所示,2腳U[sub]IN[/sub]為交流輸入,6腳U[sub]o[/sub]為直流輸出。它是AD736的關(guān)鍵外圍元件,用于進(jìn)行平均值的運(yùn)算。其大小將直接影響到有效值的測(cè)量精度,尤其在低頻時(shí)更為重要。多數(shù)情況下可選+33μ F。
6 開方器
開放器的實(shí)現(xiàn)是通過正平方根運(yùn)算電路,正平方根運(yùn)算電路如圖6所示。由圖7可得:

(K,為模擬乘法器的比例系數(shù)) (12)
若選用集成四象限模擬乘法器MC1495,則比例系數(shù)K[sub]3[/sub]通常取為O,1,使得

由式(12)可得:
7 AID 轉(zhuǎn)換器與LED顯示
用

位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433構(gòu)成

位數(shù)字電壓表如圖7所示。MC14433將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成BCD代碼有Q3一Q0輸出,CD 451I將BCD碼譯成七端數(shù)碼管的輸入信號(hào)Y[sub]a[/sub]—Y[sub]g[/sub],作為顯示器的字形代碼。字位代碼由DS4一DS1輸出經(jīng)MC1413送到數(shù)碼管的陰極,以決定哪位數(shù)碼管發(fā)亮。極性符號(hào)也由Q2輸出,當(dāng)Q2為0時(shí),極性為負(fù)。OR輸出低電平
時(shí)表示輸入過載顯示熄滅。MC1403提供標(biāo)準(zhǔn)參考電源所需的2V標(biāo)準(zhǔn)電壓。計(jì)數(shù)結(jié)果:
3 結(jié)束語
通過上述節(jié)流式流量計(jì)、電容式差壓傳感器、變壓器電橋及進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)化、開方、A/D轉(zhuǎn)換,最后顯示的計(jì)數(shù)結(jié)果即流體的流量,很直觀的顯示出流量數(shù)據(jù)。
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