流量计毕业论文涡轮流量计标定装置及测量电路设计

涡轮流量计标定装置及测量电路设计学 院航空航天工程学部专 业飞行器动力工程班 级04040102学 号2010040401053姓 名孔祥宇指导教师彭大维负责教师彭大维沈阳航空航天大学2014年6月I涡轮流量计标定装置及测量电路设计摘 要随着流体系统向微小化方向的发展，对微小流量进行精确测量的需求变得越来越多。本文提出了小量程流量计、标定试验器及传感器后调理电路的设计，使其具有测量精度高、使用方便、适应性强、数字信号输出并转换为易于识别的方波等优点。文章主要研究设计了切向涡轮流量计以及对切向流量计中传感器后的调理电路进行了仿真设计和PCB设计，同时对调节涡轮转速的步进电机的安装操作进行了详细的介绍。并根据测量微小流量的原理及其实现方法，改进测量系统。测量系统在液体流量标准装置的基础上，改进了稳压装置，采用稳压溢流堰的方法，设计了新的液体称重容器-双套量杯称重容器，选用了测量精度更高的电子天平，取代了常用杠杆式天平，使测量更简单、准确。根据微小流量测量的特点，本文选择动态质量法原理进行流量标定，它简化了测量过程，降低了成本，提高了测量精度，证明对它的设计是可行的。关键词：切向涡轮流量计；液体流量标准装置；动态质量法；流量标定;信号调理电路；步进电机调控；PCB电路板印刷3涡轮流量计标定装置及测量电路设计Turbine flowmeter calibration device and measurement circuit designAbstractWith the development of the fluid system to the direction of miniaturization, the demand for accurate measurement of small flow becomes more and more. This paper presents the design of a small range of flow meter . the calibration test and the design of the sensor conditioning, it has high accuracy, easy to use, adaptable, and converted to a digital signal output of the advantages of easy identification square wave . The article is mainly designed tangential turbine flow-meter, As well as the design of the cutting simulation and PCB design after the flowmeter sensor conditioning circuits .while adjusting the speed of the turbine installation stepper motor for a detailed description.and in accordance with the principle and implementation method for measuring small flows, improved measurement system. Measurement system on the basis of the liquid flow standard device to improve the regulator device, using the method of regulator overflow weir; Designed a new liquid weighing container - double sets of measuring cups weighing the container; The selection of a higher measurement accuracy electronic balance, replacing the commonly used leveraged balance, the measurement is more simple and accurate. According to the characteristics of micro flow measurement, this article selection of the dynamic quality of the principle of flow calibration which simplifies the measurement process, reduces cost and improves the measurement accuracy, to prove that its design is feasible.Keywords: Tangential turbine flow-meter; Liquid flow standard device; Dynamic Quality Act; Flow calibration ;Signal condition circuit;Stepper motor regulation;PCB printed circuit board 目 录1 绪论51.1 研究的背景、目的和意义51.2 本课题研究的主要内容、技术路线及需解决的技术关键51.2.1 研究的指导思想8 1.2.2 主要研究内容、技术关键与难点82 小量程流量计的选择及设计102.1 涡轮流量计概述102.1.1 涡轮流量计发展概况102.1.2 涡轮流量计的特点112.2 切向式涡轮流量计12 3 试验系统的建立与选择173.1 微小流量的定常流测量原理173.2 静态质量法液体微小流量测量装置173.3 动态质量法液体微小流量测量装置183.4 基于以上两种测量方法，对比分析并选择试验系统194 动态质量法测量装置214.1 测量系统的原理及设计214.2 测量系统的优化及改进224.2.1 稳压源的改进224.2.2 称重容器的改进234.2.3 称重装置的改进255 流量计标定技术275.1 流量标定技术分类275.2 切向涡轮流量计的标定276 转速传感器所连接电路及步进电机调控装置. 30 6.1传感器后信号调理电路设计. 30 6.1.1转速传感器所连接电路.30 6.1.2转速传感器所连接电路的软件绘制.32 6.2步进电机调控装置.33 6.2.1并口卡.34 6.2.2HYQD100两项混合式步进电机驱动器.40 6.2.3电动机.43 6.2.4装置效果图.437 装置不确定度分析457.1 测量动态误差分析457.2 计时器的不确定度457.3 电子秤的不确定度467.4 合成标准不确定度477.5 扩展不确定度478 总结48参考文献50致 谢54涡轮流量计标定装置及测量电路设计1 绪论1.1 研究的背景、目的和意义近年来随着能源和水资源的全球性匮乏，和在石油、化工、电力、冶金、采矿、食品、轻工等很多工业生产过程中，对流量的测量都是必不可少的，因此全社会对流量计量测试技术的要求越来越高。国家质量监督检验检疫总局批准发布了各种流量计量设备的检定规程，将流量计量设备的检定列为国家强制检定项目。对于流量计量来说，各种流量标准装置是实施计量服务的主要手段，其自身的功能、精度与先进程度就显得至关重要。在对燃油测量精度越来越高的今天，任何微小的标准量值的差异都将导致严重的经济利益矛盾。因此计量的准确性愈来愈受到人们的普遍关注。如何进一步提高其测量精度是一个重要而又现实的问题。针对目前微小流量测量中存在的问题，本文提出了一种用简单、有效定常流测量微小流量的原理及其实现方法，改进了稳压装置，简化了测量过程，降低了成本，提高了测量精度。并且本文对所设计的流量计装置在电方面进行了深入的探讨进一步的研究，是本文显得更加充实饱满。本课题研究成果不仅具有显著的社会效益，而且还具有广阔的推广应用前景。本文研究的目的是：用动态称重方法进行流量测量, 从而建立一套结构简单、精度高、运行效率高、性价比高的液体流量标准装置自动检定系统，一方面能保证流量计量设备准确的量值通过电信号的传递，另一方面能有效地避免在生产和贸易结算领域应用的流量计量设备由于计量精度而引起的生产浪费和贸易纠纷等。1.2本课题研究的主要内容、技术路线及需解决的技术关键1.2.1研究的指导思想1、继承和发展原则。定常流测量方法是流量精确测量时普遍采用的方法而对于涡轮的转速，传统的机械液压式控制系统也曾经广泛应用，两者其中的很多优点必须要继承，没有继承就没有发展。通过对现有成果的总结和完善，找出其存在的问题，提出比原方法更加简单方便的测量方法和信号采集方法。2、实用性原则。本文研究的出发点是解决微小流量定常流测量以及对涡轮转速信号的采集的完善与改进，提供理论和实践的指导。1.2.2主要研究内容、技术关键与难点主要研究内容:涡轮流量计、齿轮流量计都是容积式流量计。被测介质的压头推动齿轮或叶轮旋转时，速度传感器记录单位时间经过齿数或叶片数此过程中产生的正弦波通过信号调理电路转换为方波后输给微电脑，便可换算出流量。它们可用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量。小量程液体流量计的标定，需用数字电子天平，测出单位时间流经仪表的液体重量，换算出质量流量和体积流量。本课题要求:设计测量涡轮转速传感器信号的转换电路,控制涡轮转速的步进电机安装。对比分析小量程流量计的测量精度，设计适合小量程液体流量计的标定装置，分析测量的不确定度。测量涡轮转速传感器信号转换电路设计主要内容：1） 利用Proteus 7 Professional软件绘制仿真电路设计并进行仿真2） 利用Altium Designer 6软件绘制PCB图控制涡轮转速的步进电机的安装：1) 并口卡相关控制软件Mach3的安装及操作2) 并口卡、步进电机控制器、步进电机的接线 小量程流量计及标定试验器设计主要内容：1）小量程流量计的设计；2）流量检测及标定装置设计；4）试验误差分析及优化试验。需解决的技术关键和难点：1） 测量涡轮转速传感器信号的转换电路的绘制2） 并口卡、步进电机、步进电机控制器相关线路的连接及软件控制3）试验系统的稳压；4）改进试验装置，减小流体测量过程中动态冲量对试验引起的误差；5）流量计的标定；6）试验误差及不确定度的分析。对测量涡轮转速传感器信号的转换电路的绘制需要经过电路仿真和PCB设计，涡轮驱动电动机控制装置包含并口卡、步进电机、步进电机控制器的连线以及软件控制。根据试验中产生的误差因素，可从几个方面对实验进行优化与改进。如减小或者消除测量过程中冲量所引起的动态误差，进一步提高小流量的稳定流动，规范安装过程和操作过程以减少人为因素等。2 涡轮流量计的选择及设计基于本试验装置主要适用于液体流量的测量，并考虑到受液体粘度等的影响较小等因素，本课题选用涡轮流量计。涡轮流量计:利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度来测量流体流量的流量计。与流量成正比的叶轮转速通常由安装在管道外的检出装置检出。涡轮流量计由涡轮流量传感器和显示仪表组成。2.1 涡轮流量计概述涡轮流量计是一种速度式流量仪表，它利用置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成比例的关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量的大小，是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表。涡轮流量计由涡轮流量传感器和流量显示仪表组成，可实现瞬时流量和累积流量的计量。传感器输出与流量成正比的脉冲频率信号，该信号通过传输线路可以远距离传送给显示仪表，便于进行流量的显示。此外，传感器输出的脉冲信号可以单独与计算机配套使用，由计算机代替流量显示仪表实现密度、温度或压力补偿，显示质量流量或气体的体积流量。涡轮流量计因其精度高、重复性好、量程范围宽、体积小、输出脉冲信号等优点，而广泛应用于天然气计量、油品精确计量、工业生产过程监控、测量等领域。2.1.1 涡轮流量计发展概况美国早在1886年即发布过第一个TUF（涡轮流量计）专利，1914年的专利认为TUF的流量与频率有关。美国的第一台是在1938年开发的，它用于飞机上燃油的流量测量，只是直至二战后因喷气发动机和液体喷气燃料急需一种高精度、快速响应的流量计才使它获得真正的工业应用。涡轮流量计是测量仪表门类中的一个重要的产品系列，若用于洁净的低粘度液体流量测量时，在相当宽的流量范围内，其测量精确度高，重复性好，这是它最为突出的优点。另外，它还具有体积小、重量轻、易于做到耐高压及数字脉冲输出等特点，因而不仅可做监控测量仪表，而且更重要的是，由它组成的流量测量系统可达国际商业贸易允许的计量误差要求。涡轮流量计的主要部分涡轮流量传感器有如下几种类型：1轴向型（普通型），叶轮轴中心与管道轴线重合，是涡轮流量传感器的主要产品。有全系列产品（DN10DN600）。2切向型，叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约 90 度，适用于小口径微流量测量，在大口径流量测量时也用到了插入式的切向型涡轮流量计。3机械型，叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构，指示积算总量，测量精度比电信号检测的传感器稍低，其传感器与显示装置是一体式的。 4井下专用型，适用于石油开采井下作业使用，测量介质有泥浆及油气流等，传感器体积受限制，需耐高压、高温及流体冲击等。 5自校正双涡轮型，可用于天然气等气体流量测量，传感器由主、辅双叶轮组成，可由两叶轮的转速差自动校正流量特性的变化。 6广粘度型，在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径，增加粘度补偿翼及承压叶片等结构措施，使传感器适用于高粘度液体（如重油，粘度达）。7插入型，插入型流量传感器由测量头、插入杆、插入机构、转换器及仪表等部分组成。总之，涡轮流量传感器按结构可分为轴向式涡轮流量传感器和切向式涡轮流量传感器两种。轴向式涡轮流量传感器目前应用较为广泛，而切向式涡轮流量传感器应用较少。但切向式涡轮流量传感器自身的一些特点是轴向式涡轮流量传感器所不具备的，例如：测量下限更低，测量灵敏度更高，动态响应速度更快。2.1.2 涡轮流量计的特点涡轮流量计多年来用于工业和实验室测量，并一直得到广泛的应用，其具有如下主要特点：1测量精度高。涡轮流量计的测量精度是指示值的 0.05%-0.2%之间，在线性范围内，即使流量发生变化，累计流量准确度也不会发生变化。 2压力损失较小。在最大流量下其压力损失为 0.01-0.1 MPa。 3流量测量范围宽。最大和最小流量比通常为 10:1 到 20:1，故相对适用于流量大幅度变化的场合。 4重复性好。短期重复性可达 0.05%-0.2%。由于良好的重复性，经过校准或在线校准即可得到很高的精度。 5耐高压、耐腐蚀。由于具有较简单的外形且采用磁电感应结构，容易实现耐高压设计，故可适用于高压管路液体的测量；采用抗腐蚀材料制造，使得流量计耐腐蚀性能良好。 6可获得很高的频率信号(3-4 kHz)，信号分辨能力强。通过传输线路不会降低其精度，容易进行累积显示，易于送入计算机进行数据处理，无零点漂移，抗干扰能力强。 7结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。 8专业性传感器类型多。可根据用户特殊需要设计为各种专用型传感器，例如低温型、双向型、井下型及混沙专用型等。9一般液体涡轮流量计不适用于测量较高粘度介质(高粘度型除外)，这是因为随着粘度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。 10流体的物理性质对仪表的特性有较大影响。气体流量计易受密度影响，而液体量计对粘度变化反应敏感。2.2 切向式涡轮流量计切向涡轮流量计是一种速度式流量仪表，它以动量守恒原理为基础。流体冲击叶轮，使叶轮旋转，叶轮的旋转速度随流量的变化而变化，根据叶轮转速求出流量值。在工业上，可采用涡轮流量计测量粘度较低的各种液体和气体的流量。这种流量计具有测量精度高、量程范围宽、线性好、脉冲输出等优点。切向涡轮流量计由涡轮流量传感器和接收电脉冲信号的显示仪表组成。通过信号检测放大器将叶轮的转速转换成电脉冲，送入二次仪表进行计数和显示，实现对瞬时流量和累积流量的计量。不同厂家的切向涡轮流量传感器，其整体结构差异较大，目前国内外主要有三种，如下图 2-1 所示。 图2-1 切向涡轮式流量传感器结构图1单流束水平流动结构，如图 2-1(a)所示。传感器的流体入口和出口在同一轴线上。流体经过一个喷嘴，冲击叶轮上部的叶片表面，推动叶轮旋转。流体经过另外一个与入口喷嘴在同一轴线上反向安装的喷嘴流出传感器。 2单流束环形流动结构，如图 2-1(b)、(c)所示。传感器流体入口和出口轴线平行或成一定的角度。流体经过一个喷嘴，冲击叶轮侧面的叶片表面，推动叶轮旋转；随叶轮旋转，流体在传感器腔内做环形流动，进一步推动叶轮旋转；在叶轮另一侧，流体经过另外一个与入口喷嘴轴线平行或成一定角度反向安装的喷嘴或管道，流出传感器。 3预旋流切向流动结构，如图 2-1(d)所示。流体首先经过一个螺杆 1，形成螺旋形流动，再推动叶轮 2 旋转。在图2-1(a)所示单流束水平流动结构的切向涡轮流量传感器主要用于微流量测量。其结构主要由仪表壳体、涡轮（叶轮）、喷嘴、轴和轴承以及信号检测放大器等组成。本文设计的切向涡轮流量计如下：图 2-2 为传感器壳体结构图，图中左侧上图为壳体的俯视图，左侧下图为纵向切面图，右侧图则为壳体的透视图。壳体的各个几何参数图中均有标注。仪表壳体一般采用不导磁的不锈钢或铝合金制成，对于大口径传感器亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构。壳体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体内装有叶轮、轴、轴承，壳体外壁安装有信号检测放大器。图 2-2 传感器壳体结构图图2-3是传感器的盖子，图中左侧上图为盖子的主视剖视图，左侧下图为盖子的俯视图，右侧则为盖子的左视图。它的各个几何参数都在图中已经注出。材质可选择与传感器的壳体相同。盖子的作用是固定轴，使叶轮绕轴转动，并且还起到防止其他外界因素干扰叶轮转动及防止漏油。图2-3是传感器的盖子图 2-4 是传感器叶轮和轴的结构图。叶轮一般由高导磁性材料制成，是传感器的检测部件。它的作用是把流体动能转换成机械能。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率。叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动态平衡很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。 图 2-4 是传感器叶轮和轴轴与轴承通常选用不锈钢或硬质合金制作，它支承和保证叶轮自由旋转，需要有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性，耐腐性等，它决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。我国目前一般采用变磁阻式信号检测放大器，它由永久磁钢、导磁棒（铁芯）、线圈等组成。它的作用是把涡轮的机械转动信号转换成电脉冲信号输出。信号检测放大器安装在涡轮叶片的正上方，流体流过时，冲击叶轮旋转。叶片处在永久磁钢的正下方时，磁路的磁阻最小；当两个叶片中间的间隙处在永久磁铁的正下方时，磁路的磁阻最大。叶轮在流体的冲击下旋转，不断地改变磁路的磁阻，使永久磁钢外的线圈中产生变化的感生电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号。脉冲信号的频率与管道中流体的流量成正比。 3 试验系统的建立与选择本章介绍了微小流量定常流测量方法，根据微小流量测量的特点，分别设计了静态质量法、动态质量法并指出了定常流条件下微小流量测量存在的问题。3.1 微小流量的定常流测量原理如图3.1所示，测量容器的过流断面面积为A，被测试件的过流端面面积为a，测试段液体体积为V。试验时，测量容器中水头H保持为定值，以保证被测试件2处的压差为定值，故2处的流动为不随时间变化的定常流。为保证H为定值，则需测量容器上部一直处于溢流状态，也可以采用加恒值气压的方法保证2处的压差为定值，但需要恒值气源，设备复杂，成本高。根据流量的定义，测量在一定时间段t内流入计量容器(量杯)内的液体体积V或质量M即可得到体积流量： （3.1） 或质量流量： （3.2）图3.1定常流流量测量原理图1.测量容器 2.被测试件 3.计量容器(量杯)3.2 静态质量法液体微小流量测量装置对于流量的测量，静态质量法液体流量标准装置可以达到最高的精度，当需要高精确度的微小流量测量时，可以参照静态质量法液体流量标准装置的原理来设计微小流量测量装置。静态质量法是指在静止状态下，称量一段时间内容器中的液体质量，从而计算出质量流量。静态质量法液体微小流量测量装置典型结构如图2.7所示，由稳压源、计量容器或称重装置、截止阀(或单向阀)、换向器、计时器和管路系统等组成。其工作原理为:先将水用水泵3打入置顶液箱6中，水注满后，液体由溢流堰5溢流，经过泄漏管8回水池1。为保证被试件处为定常流动，整个试验过程中置顶液箱6一直处于溢流状态。试验开始时，打开截止阀(或顶开单向阀)9，换向器液流流入泄漏管巧方向，此时称重容器的质量为初始值M0，当流量稳定后，启动换向器，使得换向器液流流入称重容器13，同时计时器触发机构12触发计时器启动计时。当达到预定的液体重量时，换向器自动换向，使换向器液流流入泄漏管径的方向，并同时停止计时器，记录此时称重容器的质量M和计时器的测量时间T，则实际质量流量为 （3.3）由质量流量换算为体积流量时，可由下式计算 （3.4）在微小流量测量时，为了不降低测量质量的电子秤的准确度，测量的时间T必须足够长，这使得测量效率降低;要得到被检流量计的体积流量，还须经过质量与体积的换算，这样又会引入密度测量的误差;由于称量的容器处于空气中，砝码密度和水的密度不同，受到的浮力不同，故存在浮力修正问题。图2.7静态质量法液体微小流量测量装置1.水池 2.进水管 3.水泵 4.上水管 5.溢流堰 6.置顶液箱 7.测量容器 8、15、16.泄漏管 9.截止阀(或单向阀) 10.被试工件 11.换向器 12.计时器触发机构 13.称重容器 14.电子秤 17.放水阀3.3 动态质量法液体微小流量测量装置动态质量法是指在液体流入到称量容器的流动过程中，称量一段时间内容器中的液体质量的增量，从而计算出流量。如图2.8为采用杠杆触发结构的动态质量法测量装置。图2动态质量法液体微小流量测量装置1.水池 2.进水管3.水泵上水管5.溢流堰6.置顶水箱7.测量管 8、12.泄漏管9.截止阀10.被试工件11.放水阀13.称重容器14.平衡梁(杠杆)15.预定重量祛码16.计时器启停触动机构其工作原理为:先将水用水泵3打入置顶水箱5中，水注满后，液体由溢流堰5溢流，经过泄漏管8回水池1。为保证被试件处为定常流动，整个试验过程中一直处于溢流状态。试验开始时，打开截止阀(或顶开单向阀)9，当流量稳定后，称量容器底部放水阀11快速关闭，称量容器内的液体质量开始增加，当增加的总质量达到预定的平衡质量Ml时，杠杆抬起，触发计时器启动开始计时。当称量容器内的液体质量增加到第二个平衡质量M2时，杠杆又抬起，触动计时器停止计时，并记下计时器计时时间T，则质量流量为 （3.5）由于存在动态效应，射流冲击力对称量结果造成影响，受杠杆系统惯性滞后影响，引起系统误差的因素较多。3.4 基于以上两种测量方法，对比分析并选择试验系统静态质量法一般有较高的测量精度，可达到0.05%，但是测量系统复杂，测量过程中存在较大误差。其中包括：1、 静态质量法中有多处截止阀，测量过程中启动或者停止需要人工操作，会带来较大误差；2、 系统中使用了换向器，在停止换向时会对测量带来一定的误差；3、 测量过程中存在流体向下流入称重容器时产生冲量，对试验测量带来不可避免的误差。动态质量法的准确度较静态质量法低，一般静态质量法准确度可达0.05%-0.1%，而动态质量法准确度通常为0.2%-0.4%。1、 动态质量法不需要换向器，没有换向误差，结构简单，完成一次测量的时间短， 测量效率高；2、 动态质量法由于本身容易实现密封，所以可用于有害液体或易挥发液体的流量测 量，这在微小流量测量时有特别的意义，因为挥发对微小流量的测量影响更大。3、 通过改进称重容器可以有效减小称重过程中流体冲量对试验误差的影响。总得来说，运用动态质量法对小量程流量计测量的试验最优，其优点是：精度高，可靠性好，流量范围大，性能稳定，运行成本低，操作方便，自动化程度高，对环境无污染。4 动态质量法测量装置本文基于液态流动流体的称重系统，为了减少误差，进一步提高流量计的准确性，选用的动态质量法。动态质量法水流量标定是用动态称重方法进行流量测量, 从而检验标定电磁、涡轮、转子等流量计。进一步解决静态质量法中流体冲量所引起的误差。但实验中应该注意到液体流体的稳定流动，这对实验会产生较大误差。4.1 测量系统的原理及设计整个试验系统的测量原理及设计：系统依靠水泵产生流量，使水流经被检流量计注入称重容器，在设定的时间间隔t内，电子秤测得水质量m，求得流量q=mt，从而确定被检流量计的流量并进行流量标定。图4-1 动态质量法测量装置1-液体源 2-水泵 3-试验管路 4-稳压溢流堰 5-截止阀 6-被测流量计 7-称重容器 8-电子天平系统装置主要由小型水泵、试验管路、液体源、水塔式流量容器及循环系统、截止阀、称重容器和电子天平等组成。4.2 测量系统的优化及改进4.2.1 稳压源的改进溢流法在流量标准装置的设计中，称为水塔稳压法，是用置顶容器溢流的方法来得到被测试件处的恒定水头，如图4-2所示，(l)为置顶溢流容器，(2)为被测试件，(3)为量杯。为保证被测试件(2)处为恒定水头，容器(l)必须一直处于溢流状态。由于恒定压力由液柱产生，置顶容器的高度有限，这种方法不能测量压力过高，管道流动雷诺数较低。 图4-2溢流法原理图溢流法稳压时，对于中、大流量测量的应用一般只是供水泵的功率损耗问题，但是对于微小流量的精确测量，存在如下问题:第一、由于供水泵排量的变化和管道系统阻力的变化，进入置顶液箱的流量是波动的，溢流过程可看成是液体流过完全直角、并且没有侧向压缩的锐边溢流堰，高出溢流堰边的液体高度随流量而变化，造成稳压水头实际上不稳定；第二、由于溢流的液面不断受到入流冲击影响，所以存在液面冲击干扰，这在测量微小流量时会引入动态流量造成的误差；第三、不断的液面入流会使气泡混入测试液体且很难排出，引起气泡干扰;第四、启停瞬间造成流动状态的干扰；第五、测试液体不可回收时，溢流造成测试液浪费。本课题可采用高位槽溢流的溢流稳压法（如下图）对上述问题做出有效改进。图4-3 稳压溢流堰 首先是采用了溢流堰，测量过程中能保持液位高度始终不变同时溢流液体可以回收，循环至液体源； 其次，本实验中采用了可调升降的溢流堰，通过调节溢流堰的高度，可以方便有效的改变测量时所需要的不同流速，操作简单、有效；最后是试验起止及实验过程中，都能有效保持相对稳定流动，对动态测量只产生较小影响。4.2.2 称重容器的改进传统的称重容器都是测量时液体直接流进称重容器，然后通过称重装置进行称重，如图图4-4称重容器1-称重容器 2-电子天平但是采用该装置，在测量过程中将产生不可避免的流体下落时产生的冲量问题，这会对试验的测量精度产生较大误差，因此如何改进称重容器，是提高测量精度的关键问题。方案一 采用带档板的称重容器图4-5称重容器1-爬梯 2-称重容器 3-电子天平如图所示，当液体流入称重容器时，流体首先落在了档板上，抵消了一部分冲量，如此往复可以有效降低液体流入容器时的速度，到进入称重容器的液面时，速度基本将为0。虽然该装置有效降低了液体下落时带来的冲量问题，但是，在容器液面较低时，仍然会有一定的影响。方案二 采用双套称重容器图4-6称重容器1-水头 2-小量杯 3-吸附性海绵 4-称重容器如图所示，此方案是采用两个容器，将小量杯固定在大量杯内，再在小量杯外侧固定海绵或者细丝密实网状结构（根据测量液体的粘性选择）。本试验测量的是液态水，因此在小量杯外侧固定上厚度为2 cm的吸附性海绵。试验过程中，保持水头在小量杯的上方且固定不动，并且小量杯内液体始终是满的。该过程可使液体流入称重容器所产生的冲量始终保持不变，对测量结果基本不产生影响；同时，对于标准液体称重系统中存在的多收集了一段水柱的问题，应用该装置，测量前后都是同样多收集了一段，可以抵消不计，对试验测量误差影响较小。最后是，当液体从小量杯溢流流入大量杯时，因为外侧有吸附性海绵，可以降低流速，使流速基本接近于0，对试验基本没有影响。综上所诉，本实验选取方案二称重系统，该方案有效降低了传统模式下的两个误差问题，能有效提高小量程流量计的测量精度，对试验有较大的提高。4.2.3 称重装置的改进传统的称重装置都是天平式的称重容器，如图图4-7 称重装置1-称重容器 2-平衡梁(杠杆) 3-计时器启停触动机构 4-砝码该装置采用杠杆触发结构的动态质量法测量，虽然该装置测量简单，且计时也相对准确，但是在测量过程中存在两方面的误差：1、在测量过程中，添加砝码需要人工操作，会有一定的人工延迟误差，造成计时偏大，测量结果偏小；2、动态测量过程中，由于存在动态效应，射流冲击力对称量结果造成影响，受杠杆系统惯性滞后影响，引起系统误差。改进方法为改平衡梁式天平为电子天平。采用最大量程为2000g精度为0.01g的电子天平（J B 2102电子天平），其优点是不需要人工添加砝码，及没有砝码所带来的准确性方面的误差；二是测量过程中，虽然有动态冲量的存在，但是系统滞后性及稳定性所带来的误差较小；三是操作更简单方便，测量及计时可通过连接电脑操作控制，使测量精度更高。5 流量计标定技术5.1 流量标定技术分类按要求将被检流量计安装到装置上，启动液体循环系统，使液体流经被检流量计和流量工作标准，同步操作被检流量计和流量工作标准，比较两者的输出流量值，从而确定被检流量计的计量准确度和重复性。按流量工作标准的取值方式，装置可分为四种类型：静态质量法(含启停质量法):在静止状态下，称量一段时间内容器中的液体质量，从而计算出流量。静态容积法(含启停容积法):在静止状态下，测量一段时间内工作量器中的液体体积量，从而计算出流量。动态质量法:在液体流动过程中，称量一段时间内容器中的液体质量变量，从而计算出流量。动态容积法:在液体流动过程中，测量一段时间内工作量器中的液体体积变量，从而计算出流量。5.2 切向涡轮流量计的标定由于静态法必须等待容器中的液体静止后才能测量, 另外容器中不能存在残留液体, 所以效率低。动态标定法是在液体流动情况下进行质量或容积测量；一般先把容积或质量固定, 只测量时间, 操作简便, 效率高。下图为一种动态质量法标定系统, 可在连续运行状态下对流量计进行标定。图5-1 动态质量法测量装置1-液体源 2-水泵 3-试验管路 4-稳压溢流堰 5-截止阀 6-被测流量计 7-称重容器 8-电子天平其工作过程为: 打开5截止阀，然后开启2水泵，使测量液体在3试验管路中流动循环起来，并开始流入7称重容器。在这过程中，液体首先流入4稳压溢流堰，待液体高出挡板后经过管路又循环回流到了1液体源里；然后液体经过6被测流量计后流入了7称重容器，测量时要保持液体盛满称重容器里的小量杯，并且溢流将外侧的吸附性海绵完全渗透使大量杯里有一定量的液体；此时开始记录8电子天平此时的读数M并立刻开始计时；当测量一定的时间t后（称重容器里的液面不能将吸附性海绵完全淹没），即使记录8电子天平的读数m，并关闭5截止阀和2水泵。由测量的时间t和称重质量（M-m）则可求出质量流量。 （5.1）当被测流体通过切向涡轮流量传感器时，流体通过喷嘴冲击叶片，流体的冲击力对涡轮产生转动力矩，使叶轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动。实践表明，在一定的流量范围内，对于一定的流体介质粘度，叶轮的旋转角速度与通过传感器腔体的流量成正比。所以，可以通过传感器测量叶轮的旋速度，然后传输到示波器上，记录下通过的完整波形的个数来测量流量。测量前先对示波器进行设置，使其在叶轮转动一周时，刚好记录一个完整的正弦波形。当测量流体通过叶轮时，驱动叶轮转动，并引起电磁传感器跟踪记录，并将测量的信号传输到连接的示波器上。调节示波器，使其接收的波形大小合适，频率稳定，此时开始记录，采集在时间t内，示波器接收的完整波形数。输出波形数与叶轮转速相等，叶轮转速又与流量正相关，所以输出波形数与流过传感器的流量正相关。切向涡轮流量传感器的波形频率 f（次/秒）与流过管道的体积流量 (）正相关时，其比例系数即为传感器的仪表系数 K（ ），如式（7）所示： （5.2）即 （5.3）在同一时间内，传感器的脉冲数 N 与流过管道的液体体积 V（）也成正相关，其比例系统也为传感器的仪表系数 K（），如式（9）所示： （5.4）图5-2切向涡轮流量传感器的工作原理1喷嘴；2涡轮；3电感 6 转速传感器所连接电路及步进电机调控装置6.1传感器后信号调理电路设计6.1.1转速传感器所连接电路随着转速的变化，转速传感器输出频率信号的幅值和频率也在变化。针对本文所研究的，其转速传感器输出信号的幅值在几百毫伏到几伏之间，频率在100Hz到10KHz之间，并且为一个近似正弦信号。无论从波形和幅值上来讲该信号都无法直接送入电子控制器，需要经过信号调理电路转换为0 到3V的方波信号才能被DSP所接受。 图61 转速传感器信号调理电路原理图如图61为采用Altium Designer 6 软件绘制的信号调理电路原理图，Altium Designer 6是Protel 的最新版本，是一款专门用于电路板级设计的软件，它能完成电路的原理图设计与PCB板的绘制。在此之前要进行对该电路的仿真，则采用Proteus 7 Professional 进行电路仿真，这是一款广泛用于仿真的软件。信号调理电路设计的前提是：转速传感器输出信号的幅值在0.2V到5V之间，频率在100Hz到10KHz之间。信号调理的功能为将转速传感器信号转换为同频率的0到3V的标准方波信号，其原理为：首先，由电阻和电容构成低通滤波器，滤除频率高于10KHz的高频干扰信号；然后，由于输入信号的幅值很小时无法使限幅电路中的二级管导通，所以需要先经过一个放大5倍的反向放大器进行放大，再经过两个反向并联的二极管限制电路把信号的幅值限制在+0.5V的范围，这样保证了后续电压放大的一致性；接着采用AD620放大器将信号放大3倍，并且将电压幅值抬升1.5V。根据公式（1）选择Rg的大小，确定AD620的放大倍数G;AD620的5引脚接参考电压，此时AD620的输出根据公式（2）确定。至此，已经得到的0到3V左右的正弦波信号，最后由CD4093史密特触发器可以将其转换为0到3V的方波信号，CD4093的电源电压为3V。为了验证所设计的信号调理电路的功能，在Proteus 7 Professional中进行了原理图仿真分析，采用正弦电源模拟转速传感器的输出信号，分别将该信号设置为幅值0.2V频率100Hz和幅值5V频率10KHz的正弦波，在图61电路中设置了5个探测点， V0为传感器信号，V1 为经过滤波后的信号， V2为经过放大和限幅的信号， V3为经过放大和幅值抬升的信号， V4为总输出信号。图62和图63为转速传感器信号调理电路仿真结果。由仿真结果看到，当地转速传感器输出信号的幅值在0.2V到5V之间，频率在100Hz到10KHz之间时，信号调理电路总能将其转换为同频率的0到3V的标准方波信号。 图62输入正弦波幅值0.2V频率100Hz的仿真结果 图63输入正弦波幅值5V频率10KHz的仿真结果6.1.2转速传感器所连电路的软件绘制 （1）利用Proteus 7 Professional软件绘制的仿真电路图，如图64 以及图65： 图64 Proteus 7 Professional软件绘制的仿真电路图 图65 Proteus 7 Professional软件绘制的仿真电路调通后图如图64左侧仿真示波器A口接于输入端，A口检验波为黄色。可见图65左侧对应图64左侧仿真示波器检测出正弦波，所以证明输入为正弦波。图64右侧所示仿真示波器与图65右侧对应，图64右侧仿真示波器A、B、C、D接口依次从左至右接在如图64所示位置，其波形颜色依次为黄、蓝、紫、绿，在图65右侧可见波形从正弦波经过调理电路逐渐变为方波。（2）利用Altium Designer 6软件绘制的PCB图，如图66： 图66 Altium Designer 6软件绘制的PCB图涡轮转动通过电感感知出的正弦波由左侧J2输入，经过传感器信号调理电路的处理，最终得到的方波由右侧J1输出。输出后的方波连接到电脑即可识别，并且能够根据脉冲数来判断流量。6.2步进电机调控装置涡轮的转动需要步进电机提供其转动所需动力，本套装置中包含三个部分，分别为；并口卡.电动机以及HYQD100两相混合式步进电机驱动器。6.2.1并口卡 图67 并口卡实物图 （一）板上接口介绍（1）25针并口接头 （2）手控器接头（3）维宏卡接头（4）限位开关及其他输入接头（5）5路步进电机输出接头（6）主轴继电器输出接头（7）5V电源接头（绿色的接线端子和耳机式接头）（8）USB电源接头 （二）详细接线介绍： 1.步进电机输出接口可以采用共阴或共阳接法，配合我们的步进电机驱动器，接线方法可以参照我们的步进电机驱动器接线方法（5路相同）： （1）共阳极接法：分别将CP+，U/D+,EN+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕8到15mA的驱动电流。脉冲输入信号通