基于单片机的流量信号检测系统设计学士学位论文Word格式文档下载.docx
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计量是工业生产的关键。
流量的计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。
做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。
特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。
微小流量的智能检测在工农业生产、国防建设、科学研究等领域有着重要的应用，能够解决过程控制、生产科研中的很多问题。
但是目前国内由于技术方面的限制，在微小流量测量领域，特别是对具有腐蚀性、粘稠性微小流量信号的自动检测手段还很不完善，基本属于空白。
如果能够解决这些小流量测量方面的问题并制造出产品，就能够缩短与国际同行之间的差距，为我国的科技振兴做出贡献。
由于流量是一个动态量，流量测量是一项复杂的技术。
从被测流体来说，包括气体、液体和混合流体这三种具有不同物理特性的流体；
从测量流体流量时的条件来说，又是多种多样的，如测量时的温度可以从高温到低温，测量时的压力可以从高压到低压；
被测流量的大小可以从微小流量到大流量；
被测流体的流动状态可以是层流、紊流等等。
此外就液体而言，还存在粘度大小不同等情况。
因此，为准确的测量流量，就必须研究不同流体在不同条件下的流量测量方法，并提供相应的测量仪表。
这是流量计量的主要工作之一。
由于被测流体的特性如此复杂，测量条件又各不相同，从而产生了各种不同的测量方法和测量仪表。
对流体流量的检测可以用差压流量计、电磁流量计、容积流量计、质量流量计、超声流量计或者涡街流量计等。
差压流量计应用范围广，但需要导压管，易泄漏。
电磁流量计的计量精度高，但零点稳定性差。
容积流量计的机械结构较复杂、体积庞大。
质量流量计主要用于质量流量的检测。
而涡街流量计精度较高，一般为测量值的±
0.5%~±
1.5%；
测量范围宽，可达10：
1或20：
1；
压力损失小；
输出脉冲信号的频率与流量成正比；
无零点漂移；
在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质（密度、粘度）和组份的影响，即仪表常数仅与漩涡发生体和管道的形状尺寸有关；
仪表适用性强，结构简单，安装维护方便。
鉴于这些优点，我们选择了涡街流量计进行研究。
借助现在发展比较成熟的压力传感器得到与流体的流量相对应的脉冲信号，通过放大、整形及模数转换送单片机处理，得到信号的频率值，再在压力传感器信号提供的辅助信息的帮助下，通过补偿等措施，得到最终的流量值。
我们要做的就是如何将压力传感器发出的信号进行处理，然后送到单片机，进行数学运算处理，得到所需的结果。
1.2流量检测仪表的现状
目前国外投入使用的流量计有100多种，随着工业生产的自动化、管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。
据国外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15~30%。
随着仪表智能化技术的发展，流量仪表的发展非常迅猛。
尽管如此，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展给流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。
流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求。
特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、微小流量等的检测，市场产品有待进一步发展更有效的测量手段。
目前国内已形成了相当规模的开发和制造流量仪表行业，我国现有各类仪器仪表企业6千多家，仪器仪表已经形成门类品种比较齐全，具有一定技术基础和生产规模的工业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。
产品在微型化、集成化、智能化、总线化等发展方向上紧跟国际发展的步伐。
但我国仪器仪表产品，绝大部分属于中低档技术水平，而且可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求。
高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口。
近年来，我国广大科技工作者借鉴国外一些先进的自动计量技术，并结合我国国情进行改进，将先进的传感器技术与微电脑技术引入到流量计中，使得流量计向多功能、高精度、易安装、高性价比、便于集散控制的方向跨进了一步。
但目前与国外同行相比，我国流量仪表仍存在很大差距：
产品种类系列不全；
产品性能指标低；
高技术产品少等等，在国际上处于落后地位，不符合流量仪表未来发展方向。
所有这些给我国科技工作者提出了要求：
制出性能更强、更加符合生产需要的流量测量系统，迎头赶上国际先进水平
在流量测量仪表的市场中，占比例最大的是差压流量计（占28%），其次是电磁流量计（占19%）、容积流量计（占17%）、超声流量计（占4%）、涡街流量计（占4%）、质量流量计（占3.5%）。
近年来，涡街流量计、电磁流量计、质量流量计和超声流量计的增长速度较快。
1.3流量检测技术种类和特点
常见的流量测量方法有涡街流量测量方法、差压式流量测量方法、浮子流量测量方法、涡轮流量测量方法、电磁流量测量方法、容积式流量测量方法、质量流量测量方法和超声流量测量方法。
下面对几种常见的流量测量方法进行简要的介绍。
1.3.1涡街测量方法
涡街测量方法是在流体中安放一个非流线型漩涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的漩涡。
涡街流量计就是根据涡街测量方法设计的。
它按频率检出方式可分为：
应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。
这种测量方法的主要优点是：
1．结构简单牢固；
2．适用流体种类多；
3．精度较高；
4．范围宽；
5．压损小。
这种测量方法的缺点是：
1．不适用于低雷诺数测量；
2．需较长直管段；
3．仪表系数较低（与涡轮流量计相比）；
4．仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。
采用这种测量方法制造的涡街流量计是属于最年轻的一类流量计，但其发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。
1.3.2差压测量方法
差压测量方法是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的。
差压式流量计就是按照差压测量方法设计的流量测量仪表，差压式流量计的检测件按其作用原理可分为：
水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式等。
差压式流量计是一类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居首位，在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3。
1．应用最多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；
2．应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；
3．检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。
1．测量精度普遍偏低；
2．范围窄，一般仅3：
1~4：
l；
3．现场安装条件要求高；
4．压损大（指孔板、喷嘴等）。
这种测量方法制造的差压式流量计在封闭管道的流量测量中对环境适应性非常强，各种对象都有应用，如流体方面：
单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；
工作状态方面：
常压、高压、真空、常温、高温、低温等；
管径方面：
从几mm到几m；
流动条件方面：
亚音速、音速、脉动流等。
1.3.3电磁测量方法
电磁测量方法是根据法拉第电磁感应定律，针对具有导电性液体的流量测量方法。
电磁流量计就是根据电磁测量方法设计的。
它有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。
70、80年代电磁流量在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中其使用量百分数不断上升。
这种测量方法的主要优点是；
1．测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；
2．不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；
3．所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；
4．流量范围大，口径范围宽；
5．可应用于腐蚀性流体。
1．不能测量电导率很低的液体，如石油制品；
2．不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；
3．不能用于较高温度。
采用这种测量方法制造的电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；
中小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；
小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。
1.3.4容积测量方法
容积式测量方法利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
容积式流量计就是按照容积式测量方法设计的流量测量仪表。
容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双浮子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计及膜式气量计等。
1．计量精度高；
2．安装管道条件对计量精度没有影响；
3．可用于高粘度液体的测量；
5．直读式仪表无需外部能源可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。
1．结果复杂，体积庞大；
2．被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；
3．不适用于高、低温场合；
4．大部分仪表只适用于洁净单相流体；
5．产生噪声及振动。
采用这种测量方法制造的容积式流量计，常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。
1.3.5涡轮测量方法
涡轮测量方法采用多叶片的浮子（涡轮）感受流体平均流速，从而推导出流量或总量。
涡轮流量计就是按照涡轮测量方法设计的流量测量仪表。
它是速度式流量计中的主要种类。
一般它由传感器和显示仪两部分组成，也可做成整体式。
涡轮流量计和容积式流量计、质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品，作为十大类型流量计之一，其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。
1．高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；
2．重复性好；
3．元零点漂移，抗干扰能力好；
4．范围度宽；
5．结构紧凑。
1．不能长期保持校准特性；
2．流体物性对流量特性有较大影响。
采用这种测量方法制造的涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：
石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体。
1.3.6超声测量方法
超声测量方法是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用来测量流量的方法。
超声流量计就是根据超声测量方法设计的。
根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法及噪声法等。
超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。
1．可做非接触式测量；
2．为无流动阻挠测量，无压力损失；
3．可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。
1．传播时间法只能用于清洁液体和气体；
而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体；
2．多普勒法测量精度不高。
采用这种测量方法制造的超声流量计有如下的广泛应用：
①传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。
典型应用有工厂排放液、怪液、液化天然气等；
②气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验；
③多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体，例如：
未处理污水、工厂排放液、脏液，通常不适用于非常清洁的液体。
1.4研究内容
本文在对流量测量的各种方法和流量仪表的发展动态进行综述的基础上，通过对卡门涡街原理的理解和公式的推导，得出流量和应力频率的关系。
然后设计了压电式压力传感器及压力信号调节器和A/D转换电路，把采集的数字信号传递给单片机进行处理，最后由LCD显示并交给上位机处理数据。
重点放在了硬件电路的设计。
第2章流量测量基本概念
2.1流量概念
流量定义：
流体流过一定截面的体积或者质量与时间之比称为通过该截面的流量。
其中，体积与时间之比，称为体积流量；
质量与时间之比，称为质量流量。
如果流体的流动是不随时间变化的，是定常流，流量就可以用流体在单位时间内通过一定截面的体积或质量来表示。
当流体的流动是随时间变化的，为非定常流，此时流量随时间不断变化。
因此，对某一时刻的流量，可以假定在该时刻前后某一微小的△t时间内流动为恒定，用该微小时间间隔内流过的流体体积或质量来表示。
设流体通过截面中的某一微小面积为
，并且选取通过该微小面积流体的流速为
，则流体通过微小面积
的体积流量
，为：
（2—1）
流体通过整个截面积的体积流量q，可用对截面积F积分求出：
（2—2）
质量流量可以用流体体积流量与流体密度之积来表示。
若质量流量为
，流体密度为
，则：
（2—3）
上式中，体积流量的单位为m3/
或m3/
；
质量流量的单位为kg/s或kg/h。
在工程应用中，常常同时要求测量经过一段时间流过管道的总的流体量，即要求测量通过管道的流体的累积流量。
如果流体的体积流量为
，质量流量为
，那么，在时间间隔△t内流体流过的累积流量，可用下式表示：
流体质量累积流量：
（2—4）
流体体积累积流量：
（2—5）
累积体积流量的单位为m3，累积质量流量的单位为kg。
所以，如果流动为稳定流，流体密度为
，由上式可以得到：
（2—6）
从上面可以看出，累计流量的测量就是流体体积的测量或者流体质量的测量。
2.2流量测量参数
1．静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2．动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
3．流量计特征曲线
流量计特性曲线是反映随流量变化流量计性能变化的曲线。
特性曲线较常用的有两种不同表示形式：
一种是表示流量计的某种特性（通常是流量系数或仪表系数，也有的是某一与流量有关的输出量）与流量
或雷诺数
的关系；
另一种是表示流量计测量误差随流量
变化的关系，这种特性曲线一般称为流量计的误差特性曲线。
流量计的特性曲线可以通过对流量计进行理论分析而得到，而更为准确可靠的是对流量计进行标定得到，即在整个流量计的流量范围内进行一系列的实验得到。
4．线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;
或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
5．灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出—输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间是线性关系，则灵敏度
是一个常数。
否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化
时，输出电压变化为
，则其灵敏度应表示为
。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
6．分辨力
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
7．雷诺数
测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。
雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。
流体流动时的惯性力
和粘性力（内摩擦力）
之比称为雷诺数，用符号
表示，Re是一个无因次量。
（2—7）
式中的动力粘度
用运动粘度
来代替，因为
，则
（2—8）
式中：
---流体的平均速度
---流束的定型尺寸
---在工作状态下流体的运动粘度
---动力粘度
---被测流体密度
由上式可知，雷诺数油的大小取决于三个参数，即流体的速度、流束的定型尺寸以及工作状态下的粘度。
雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。
雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re<
2000为层流状态，Re>
4000为紊流状态，Re=2000~4000为过渡状态。
在不同的流动状态下，流体的运动规律.流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速
与最大流速
的比值也是不同的。
因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。
2.3本章小结
本章介绍了流量的定义，流量测量中常用的术语，以及液体管内流动的基本知识，并且详细叙述了测量流量时传感器的各种特性，正确使用和测量传感器的特性对实验结果分析有很大帮助；
是正确进行流量测量的基础。
本章为以后各章节的分析奠定了一定的基础。
第3章涡街流量计基本概念
3.1涡街流量计原理及模型
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