流量传感器的应用
流量传感器的应用
姓名： 学号：
摘要：本文设计了一种新型液体流量传感器，并对其进行了制作和实验标定。这种流量传感器主要由特制的导流管和现有压力传感器组成， 其基本原理是输入口与输出口这间的压力差与通过导液管的流速直接相关，用压力传感器测量导液管入口与出口之间的压力差，并将其转换成电压量输出。通过检测导液管两端的压力差，即可计算出通过导游管的流速和流量。这种流量传感器主要有结构简单、灵敏度高、精确度高、量程范围宽、成本低等优点。 关键词：差压流量计，差压传感器，液体流量检测
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, 超声波，涡轮, 光纤, 压力等，超声波式和涡轮式在各个领域得到普遍应用。然而，涡轮式有一个旋转叶轮直接与液体相接触、阻碍液体流动， 它的过载能力不强，并受液体质量的影响；超声波法虽然没有直接接触流体但它的灵敏度不够高，对于低速、小流量很难被检测得到；电磁式通常只对导电性液体有效；压力式通常有一个阻碍部分在流管中，对微小流量也很难检测到。基于差压的流量测量理论是一个很成熟的理论，过去基于这理论的流量计大多采用机械的方式, 其结构比较复杂。一种光学的流量测量技术被M. Richter 提出, 采用了光学显微镜进行观察，这种方法一来不便于操作，二为难以实现自动控制。为此，我们提出了一种差压式的液体流量测量的原理和方法，这种方法与旧的流量计比较有以下的优点：1）结构简单，2）量程宽，3）灵敏度和精确度高，4）成本低。本文设计和制造了这种差压式液体流量传感器，并利用增压泵进行了标定实验。大量实验表明这种方法对液体测量是切实可行。 2. 流量的基本知识： 1.流量的概念：流体的流量是指在短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比。 2.流量的分类： 体积流量 或 单位：m/s L/min m3/n ——平均流速
质量流量 或 单位：kg/s kg/h
总流量 单位：m3
单位：kg
3．流量测量方法：
（1）利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法；
（2）通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法；
（3）利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量法；
（4）以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。
3. 流量传感器的相关知识：
1. 差压式流量计对流体的要求：
采用节流装置的差压式流量计通常由能将流体流量转换成差压信号的节流装置及测量差压并显示流量的差压计组成，安装在流通管道中的节流装置也称“一次装置”，它包括节流件、取压装置和前后直管段。显示装置也称“二次装置”，它包括差压变送器、流量积算仪等仪表。
使用标准节流装置时，对于流体的性质和状态必须要求满足以下几个条件：
1.流体必须充满管道和节流装置，并连续地流经管道。2.流体必须是牛顿流体，即在物理上和热力学上是均匀的、单相的，或者可以认为是单相的，包括混合气体、溶液和分散性粒子小于0.1微米的胶体，在气体中有不大于2%(质量成分)均匀分散的固体微粒，或液体中有不大于5%(体积成分)均匀分散的气泡，也可认为是单相流体，但其密度应取平均值。3.流体流经节流件时不发生相交。4.流体流量不随时间变化或变化非常缓慢。5.流体在流经节流件以前，流束是平行于管道轴线的无旋流。6. 采用标准节流装置的流量计不适用于动流和临界流的流量测量。
3. 差压式流量计的选型使用探讨
差压式流量计压损大，测量范围度窄，一般为3：1或4：1，测量的重复性、精确度在流量计中属中等水平。差压式流量计的安装应包括节流装置、压差引压导管、差压计三部份。在测量流体流量时，为防止液体中有气进人并存在导压管内及防止液体中有沉淀物析出，差压计应安装在节流装置的下方，测量气体流量时为防止液体污物或灰尘进人导压管，则差压计应安装在节流装置上方，测量水蒸汽时要保持两根引压管内的冷凝液柱高度相等，防止高温蒸汽与差压计直接接触。压差引压导管的材质应按被测介质的性质和参数确定，其内径不小于6mm，长度最好在16mm以内。压差引压导管应垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于1：12，粘度高的流体，其倾斜度应更增大。当压差引压导管长度超过30m时，导压管应分段倾斜，并在最高点与最低点装设集气器(或排气阀)和沉淀器(或排污阀)。严寒地区压差引压导管应加防冻保护，同时要防止过热，否则压差引压导管中流体汽化会产生假差压。 4. 26PC系列压力传感器简介： ⑴26PC系列压力传感器的实物图：
⑵26PC系列压力传感器的内部结构图：
⑶26PC系列压力传感器的特点 1.专利的导电密封弹性连接系统消除了传统的导线粘结和带状连接，增加了介质的测量兼+容性。 2.专利的Snap-together 结构导致了多样化的测量孔形式 3.最低价格的带温度补偿和校整的小型封装压力传感器 4.不同的引脚可选（1x4 或2x2） 5.可以测量负压和正压 6.激光刻蚀电阻保证极好的器件一致性
⑷26PC系列压力传感器技术规格（10.0±0.01 VDC 供电，25℃）
⑸26PC系列压力传感器环境指标:
⑹26PC系列压力传感器选型指南
5. 压力传感器原理及调理电路：
本装置采用了由Honeywell 公司生产的现有压力传感器如图2 所示。其内部电路主要是由四个应变片电阻线成的一个惠斯通电桥电路组成。我们采用了型号为26PCBFA6D 型压力传感器，其量程为从0 到 34.445kPa，本压力传感器具有很高的灵敏度、线性度和稳定性，另外还有过载能力强和温度补偿功能。
差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差和流体流量之间的确定关系，通过测量差压求得流体流量。最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合而成。
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。这个特殊结构的导液管由我们自行设计，差压传感器是由Honeywell 公司生产的26PCC 传感器。此导液管由输入管、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，用于引出节流管两端的压力差。导液管可由玻璃、塑料、金属等材料制成。输入管和输出管的内径比节流管大，取压管的内径通常最小。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个压力差，并转换成电压信号。
图 1 差压式液体流量传感器的结构
另外，压力差随差通过导液管的单位时间内液体流量（流速）的变化而变化，其关系可由以
下等式来表达
(1)
其中，Qv 为单位时间的体积流量,
α 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,
ρ 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）
(2)
其中，Qm 差压流量计的质量流量, 其常与(1)相同.
从等（1）和（2）可以清楚地看到当α, Y, g 和ρ 不变时, 流量与压力差的平方根成
正比。流量转换系数α 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。
为了使用本压力传感，对它进行性能测试。将它接上透明的水管，用水柱高做压力，用高灵敏度数字万用表测量电压，传感器接上12V 电压。实验结果如图3 所示，由图可知，输出电压与压力差完全是线性关系。可以用以下等式来表示。
(3)
其中△P 是液管输入口与输出口之间的压力差，△P=P1-P2, K1 是比例常数。
为了提高传感器的灵敏度，采用了一个仪表放大电路如图 4 所示。图中使R1=R2=R3=R4=R5=R6, 放大电路的输入端接压力传感器的输出，其输出接一个12 位的ADC 转换器。放大电路的增益可以用等式(2)来表示。
(4)
其中，Av 是放大电路增益，所以有Vo=Av?K1?△P=K?△P (5)
在上式中令 K= Av?K1 , Vo 是放大电路输出电压。结合等式 (1), (3), (5), 流过导液管的液体体积流量和所对应的电压有以下关系：
(6)
由等式（6）可以清楚地看出体积流量与放大电路输出电压的平方根成正比。
6. 实验与标定
为了证明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。实验装置主要由被设计的流量传感器、增压泵、水阀、量筒和水池等组成，如图5 所示。另外还采用了一套单片机控制系统。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 6mm,节流管内径为4mm,节流管长7cm，两个取压管内径为 2mm；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ATmega16 作为微处理器和MAX187(12 位)作AD 转换器。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。在水温为25℃的条件下，当水流过导液管时，固定流速不变，用单片机计时、采集放大电路输出的电压，同时用量筒测量某一时间内流过水的体积。调节水阀改变流速，重复操作。把每秒的体积流量作为横坐标，所对应的电压作为纵坐标，实验曲线如图6 所示。由图 6 可知，拟合曲线与实验所测得的数据相关性相当好，所得的拟合曲线是二次曲线，
如等式（7）所表达。
(7)
经过多次的上述重复实验，实验结果表明实验重复性和稳定性好，拟合分析表明实际曲线与理论计算曲线相一致。用微处理器检测传感器放大电路所输出的电压Vo, 即可通过软件计算出相应电压的流量Qv，设计成差压式流量计。
7. 单片机显示： 1.显示电路图：
单片机部分可采用A/D采样位数为12位的MSP430F149单片机。其电路图如下：
2.显示程序框图：
8. 节流装置的选择：
充满管道的流体流经管道内的节流装置，在节流件附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力差。
在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。其基本公式如下：
c－流出系数 无量纲
d－工作条件下节流件的节流孔或喉部直径
D－工作条件下上游管道内径
qm－质量流量 Kg/s
qv－体积流量 m3/s
?－直径比d/D ?无量纲
流体的密度Kg/m3
可膨胀性系数 无量纲
其设计、制造均符合ISO5167或GB／T2624的规定，并按国标JJG640－94进行检定。
1.雷诺数 ReD范围: 240~ 5×107。
2.直径比?的范围: 0. 1、 0. 2、 0. 375、 0. 5、 0. 57、0. 66、 0. 75。
3. 管道直径 D 的范围: 50、 75、 100、 150、 250、600 mm。
4.取压方式:角接、 法兰、 D ) D / 2(径距)、 角接2。
5.实验用流体: 空气、 天然气、 油、 水。
9. 结论:
本文作者创新之处是提出了一种基于差压法新型液体流量传感器，阐述了其基本原理和方法，完成了在一定温度下对某一特定尺寸的传感器的标定实验。实验结果表明所制造的传感器能够被液体流量，实际检测的流速范围从5 到170ml/s。通过改变压力传感器的型号、放 大电路的增益和导液管的尺寸，很容易提高灵 1.前环室 2. 取压管 3. 标准孔板4. 敏度和扩展传感器的量程范围。此外，所提出 取压管 5. 后环室
原理和所设计的传感器还具有以下优点： 环室取压标准孔板结构与安装示意图
1. 在这种传感器的管内没有移动部件和阻流部件； （DN≤250，PN≤32MPa）
2.利用了导液管的差压原理而设计；3.导液管结构简单，稳定性好，经久耐用；4.这种传感器的灵敏度和精确度高，量程宽；5.制造简单，成本低。
这种传感器可广泛应用于医学、化学、石油、工业和农业等领域。通过不同的标定也可用于气体的流量测量。
10. 参考文献：
1.基于差压法的一种新型液体流量传感器
2. 26PCC-DATASHEET.Pdf 3. 差压式流量计对流体的要求
4. 化工装置常用流量计原理及选型使用探讨
5. 孔板流量计（又称差压式流量计）
6.. ISO5167_2003_E_的主要变化及应对办法.pdf
流量传感器的应用.doc
