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差压液体流量计的设计
发布时间:2019-05-05

摘要:针对现有各流量计机械结构较复杂、低流与微流难以检测的不足,设计了一种基于差压原理的一种新型差压液体流量计.本流量计以特制的导管和差压传感器作为流量检测元件,用STC12C5410AD作为微处理器.检测元件将差压信号转换为电信号,该电信号经仪表放大器放大后,用微处理器进行数据采集和处理,获得流量和流速值.
0引言
  流量的测量与控制在各个领域都非常重要并得到广泛应用.现有的流量传感器多种多样,它们的原理有电磁[1,2]、超声波[3,4]、涡轮[5]、光纤[6]、压力等,超声波式和涡轮式在各个领域得到普遍应用.然而,以上各种流量计由于机械或电气等方面的原因对小流量和微小流量很难被检测到,有些流量计机械结构方面比较复杂[7];有些不便于操作和实现自动控制[8].为了满足变量喷雾机药液流量检测和控制的需要,提出了一种差压式液体流量检测方法[9].基于此原理本论文设计了一种新型流量计,该流量计由特殊的导管、差压传感器、仪表放大电路、STC12C5410AD单片机和显示按键电路等组成,该装置与现有的流量计比较有以下的优点:1结构简单,2量程宽,3性能较稳定,4误差在±1%以内.本论文利用增压泵等仪器对本流量计进行了实验标定,并获得了较满意的结果.
1流量检测元件设计
  差压式液体流量传感器的结构如图1所示,主要由导液管和差压式压力传感器组成.压力传感器是由Honeywell公司生产的26PC差压式压力传感器.导液管由输入管、节流管、输出管和两个取压管组成,两个取压管由输入管和输出管引出,用于把连接差压传感器,以便差压传感器检测出这两点的压力差.

  输入管和输出管的内径比节流管大,取压管的内径通常较小.如图1所示,输入管、节流管和输出管被连接成“一”字型,取压管被对称地接在输入管与输出管上.差压式压力传感器,通过气管被连在两取压管上.当有液体流过导液管时,输入管与输出管之间会产生的压力差,输入管压力大于输出管的压力,由差压式传感器检测这两端的压力差,并转换成电压信号.
  本设计与文丘里管主要差别是低压端取压管不是从节流管引出,而是由输出管引出,所以产生差压的原理完全不同.文丘里管的压力差是由两个取压点的流速差获得,可以用来测量理想流体的流速,而本差压流量计的差压是由管道沿程损失和局部损失产生.现有流量计象涡轮式、超声波式,电磁式流量计会受到尺寸太小限制,国内低流与微式流量计暂时没有.本差压流量计的管道内没有任何阻件,节流管内径可大可小,这是优越其它流量计之处,节流管内径越小,设计出的流量范围就越小,目前我们设计了流量为0.1ml/s以下的流量计.压力差大小与通过导液管的单位时间内液体流量(流速)有确定的关系,其关系可由以下等式来表达[10]

  式中,Qv为单位时间的体积流量,T为流量计的转换系数,Y为流体澎胀率,对于液体Y=1,g为当地重力加速度,P1-P2为输入管与输出管之间的压力差,d为流体密度.等式(1)为用体积流量来表示,也可转换为质量流量表示,如式(2)

  式中,Qm差压流量计的质量流量,其常与(1)相同从等式(1)和(2)可以清楚地看到当T,Y,g和d不变时,流量与压力差的平方根成正比.流量转换系数T是很复杂的一个常数,它决定于传感器的结构和方法,比如与获取压力的方式和位置等因素有关.
2软硬件设计
  流量检测元件中的差压传感器将所检测到的差压转换成电信,并经后续电路放大,再送单片机进行AD采集和处理.
2.1硬件电路设计

  压力检测传感器采用26PC系列差压传感器,其内部电路为直流电桥,电桥用12V电源供电,其输出端接仪表放大电路,如图2所示.此电路所输出的电压与传感器所受到的差压成线线关系[9],即Vo∝(P1-P2),因此有

  式中,k为压力差与输出电压之间的转换系数,由式(3)可见,液体的体积流量(质量流量或流速)与检测电路所输出的电压的平方根成正比,只要AD转换器对电压进行采集,便可换算成流量.在本系统中,采用STC12C5410AD单片机进行数据处理,此芯片内部自带八路10位ADC模数转换电路,当采用22M晶振时,采样时间仅为10μs,能满足我们的设计要求.
2.2软件设计
  流量计的数据采集、数据处理和数据显示主要单片机的软件是完成的关键,首先将仪表放大电路输出的电压送单片机进行AD数据采集,将采样结果进行转换,将电压值转成流量值,然后送显示器进行显示.其工作流程如图3所示.

3实验标定与结果
3.1实验装置
  为了证实所提出的方法的可行性,我们完成了大量的实验,并对所设计的传感器进行了实验标定.实验装置主要由被标定的流量计、增压泵、水阀、量筒和水池等组成,如图4所示.为了简化实验过程,我们把水当作测试样品.
  在实验系统中,所设计的导液管输入管和输出管内径为3.6mm,节流管内径为1.4mm,节流管长54cm,两个取压管内径为1.4mm;压力传感器采用了26PCBFA6D型,放大电路放大倍数约为37dB;单片机控制系统采用了STC12C5410AD作为微处理器.单片机控制器主要有计时、电压采样、流量处理、流量累计和显示等功能.
3.2标定实验及数据处理
  在水温为25℃的条件下进行了标定实验.当水流过导液管时,固定流速不变,用单片机记录时间、采集放大电路输出的电压,同时用量筒测量这一时间内流过水的体积.调节水阀改变流速,重复操作,得出一电压随流速变化的一组实验数据.由量筒所测得的水的体积和单片机所记录的时间,可以计算出不的体积流量,以体积流量作为横坐标,单片机AD采集所获得的数值作为纵坐标,并经曲线拟合,可以得到图5.其拟合曲线公式为
Vo=4.2729Q2v+9.6063Qv+8.5132,
  由式(4)可知,电压是流量的二次曲线.将电压的平方根与流量进行曲线拟合可得到图6示曲线,其关系可表达为
上式经变形可得到式(6)

  式(6)与式(3)相比,除多一个常量外,形式基本上是一致的,也就证明了所设计流量计理上是正确的.

  由等式(6)可知,只要用单片机采集电压值,就可以换算得到液体的流量值.将公式(6)入程序后,用此流量计进行了流量测试,流量计测量结果和实际流量数据所图7所示.
  图7中的实验数据表明,所设计的流量计测得数据和实际测得的数据从1mL/s到15ml/的范围里基本上成一条直线,在以上量程范围里最大误差不超过±1%.
4结论
  本论文设计和开发了一种新型差压式液体流量计,由于节流管内部没有任何阻件,内径大小不受限制,所以能设计的流量范围宽.在25℃温度时,本文设计的流量计以水作为工作流体进行实验标定和实际测试,结果发现实验数据与理论推算吻合,误差在±1%以内,能够满足变量喷雾机药液检测的要求.然而,流量会受温度的影响,温度补偿问题有待进一步研究.

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