摘 要：文章提出了差壓流量測量系統(tǒng)方案，重點介紹了差壓式流量測量系統(tǒng)的各個組成部分，對將流量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，對測量出流體的流量有著方便、可靠性高、測量精度準(zhǔn)確的特點，可廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域的流量測量。 關(guān)鍵詞：節(jié)流式流量計；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：TEl51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-9134（2005）02—0053-03 0 引 言 流量測量在環(huán)保工程、交通運輸、生物技術(shù)、科研實驗、海洋氣象、江河湖泊等方面有著重要的用途。因為流量是動態(tài)量，其流量測量的難度較大，特別是在現(xiàn)場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。基于上述因素，本文提出了一個差壓式流量測量系統(tǒng)方案。差壓式流量測量系統(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、氣體等流量的測量時，人們采用過多種類型的流量計，其中節(jié)流機(jī)構(gòu)的差壓流量計應(yīng)用最多[sup][2.3][/sup].這是因為它結(jié)構(gòu)簡單，而且有豐富的數(shù)據(jù)和實際使用經(jīng)驗。因此，節(jié)流裝置作為過程檢測儀表，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 差壓式流量測量系統(tǒng)的組成及工作流程簡化框圖如圖1所示。被測對象是流體的流量p，流量經(jīng)節(jié)流式流量計產(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)換器和平方器對其進(jìn)行信號調(diào)理，最后通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過LED顯示出來。 [b]2 節(jié)流式流量計 2．1 節(jié)流式流量計的基本原理[/b] 節(jié)流式流量計的工作原理如圖2所示。當(dāng)流體通過設(shè)置在管道中的節(jié)流件時，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。在差壓式流量計中，因標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置差壓流量計結(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，而且是穩(wěn)流的，那么，對于通過截面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，這個現(xiàn)象叫做縮流。又由于流體存在粘性的影響，因此，必須對實用的節(jié)流機(jī)構(gòu)在實際測定時加修正系數(shù)口。同時，考慮到流體的可壓縮性，也必須對式 （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 孔板一般用于測量干凈的液體、氣體和低速蒸汽，對于高速（30 m/s）的蒸汽流的流量測量多選用噴嘴，而臟污流的流量測量可用文丘管。 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)被測差壓作用在兩側(cè)隔離膜片上時，差壓通過硅油傳遞到定極板，使其產(chǎn)生撓曲變形，引起電容差動地改變。據(jù)推導(dǎo)，電容式差壓傳感器兩個差動電容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，口為動極板的工作半徑；T為動極板的初始張力；d[sub]0[/sub]為定、動極板的初始距離。 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]。其主要特點是：準(zhǔn)確度高，靈敏性好，測量速率快。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)行平均值的運算。其大小將直接影響到有效值的測量精度，尤其在低頻時更為重要。多數(shù)情況下可選+33μ F。 6 開方器 開放器的實現(xiàn)是通過正平方根運算電路，正平方根運算電路如圖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。極性符號也由Q2輸出，當(dāng)Q2為0時，極性為負(fù)。OR輸出低電平 時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。計數(shù)結(jié)果： 3 結(jié)束語 通過上述節(jié)流式流量計、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，最后顯示的計數(shù)結(jié)果即流體的流量，很直觀的顯示出流量數(shù)據(jù)。 參考文獻(xiàn) [1] 孫傳友，孫曉斌．感測技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2001 [2] 劉欣榮．流量計[M]．北京：水利電力出版社，1990 [3] 孫傳友，孫曉斌．測控電路及裝置IS]．北京航空航天大學(xué)出版社，2002 [4] 張玉龍，等編譯．傳感器電路設(shè)計手冊IS]．北京：中國計量出版社，1989 [5] 沙占友．新編實用數(shù)字化測量技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1998 [6] 高光天．ADI產(chǎn)品技術(shù)指南[M]．北京：科學(xué)出版杜，1997