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基于单片机的微流量检测系统设计与实现
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更新于2024-06-23
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本篇学位论文主要探讨了基于单片机的流量信号检测系统的设计,着重于工业自动化环境中的应用。在当今的工业控制体系中,自动化的核心环节始于对生产过程参数的实时监控,其中流量作为关键的过程变量,其精确测量对于提高能源效率、降低成本和实现自动化控制具有至关重要的作用。涡街流量计作为一种高效的流量测量工具,利用流体流动产生的漩涡效应来测量流速,其原理基于卡门涡街现象,漩涡分离产生的应力与流速变化频率成正比。 论文首先介绍了涡街流量计的基本工作原理,即通过测量流体漩涡分离的频率来计算流速。涡街流量计的优点在于它对微小流量的敏感性,使其在处理低流量信号时具有显著优势。接着,论文详细阐述了压电式传感器在涡街流量计中的应用,这种传感器能够将压力信号转化为微弱的电压信号,这些信号需要经过信号调理电路进行放大和滤波,以便于单片机进行有效处理。 单片机在本系统中扮演了核心角色,负责数据采集、处理和控制。作者设计了一套智能化的单片机软硬件系统,它不仅能够实时准确地监测流量,还实现了信号的远程传输功能。这使得流量信号检测系统具备了远程监控和智能化控制的能力,为工厂环境下的设备管理提供了便利,也符合现代工业4.0对智能化、网络化的需求。 关键词:流量计、流量、单片机、卡门涡街效应。这篇论文深入研究了如何结合涡街流量计与单片机技术,构建出一个既能精确测量微小流量,又能实现实时远程监控和智能控制的系统,这对于推动工业生产过程的数字化和智能化进程具有实际意义。
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哈尔滨理工大学学士学位论文
显影响;
4.流量范围大,口径范围宽;
5.可应用于腐蚀性流体。
这种测量方法的缺点是:
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。
这种测量方法的主要优点是:
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;
4.范围宽;
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。
这种测量方法的缺点是:
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。
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这种测量方法的主要优点是:
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。
这种测量方法的缺点是:
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。
这种测量方法的主要优点是:
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。
这种测量方法的缺点是:
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。
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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
dF
,并且选取通过该微小面积流体的流速
为
u
,则流体通过微小面积
dF
的体积流量
dq
,为:
udFdq �
(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:
�
� udFq
(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
Q
,流体密
度为
�
,则:
qQ
�
�
uF
�
�
(2—3)
上式中,体积流量的单位为 m
3
/
s
或 m
3
/
h
;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
V
Q
,质量流量为
m
Q
,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:
�
� dtqQ
mm
(2—4)
流体体积累积流量:
�
� dtqQ
vv
(2—5)
累积体积流量的单位为 m
3
,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:
vvmm
QtqtqQ
��
���
(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。
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