設(shè)為首頁
加入收藏
聯(lián)系我們| 分 類 |
1、流量的計(jì)算
壓縮空氣流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)，其原理是基于封閉管道中能量相互轉(zhuǎn)化的伯努利原理。在穩(wěn)定流的情況下，管道中的差壓與流量的平方成正比。根據(jù)伯努利方程和流動連續(xù)性原理可得出普遍適用的實(shí)際流量公式：
式中：qv為流體的體積流量，單位m3/s；d為工況下節(jié)流件的等效開孔直徑，單位m；ΔP為差壓，單位Pa；ρ1為工況下節(jié)流件上游處流體的密度，單位kg/m3；C為流出系數(shù)（實(shí)際流量/理論流量），無量綱；ε為被測介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)，對于液體ε=1；對氣體、蒸汽等可壓縮流體ε＜1；β為直徑比，無量綱。
對于V型內(nèi)錐式節(jié)流裝置，在進(jìn)行工況下實(shí)際流量的計(jì)算時，公式中的節(jié)流裝置內(nèi)徑d和系數(shù)β應(yīng)采用等效的開孔直徑和等效的β值進(jìn)行替換。流體流過V型內(nèi)錐式節(jié)流裝置的zui小有效面積S為
式中：D為測量管的內(nèi)徑；dv為內(nèi)錐體的zui大外徑，如圖1所示。
由此可知，式（1）中的πd2應(yīng)用π（D2-dv2）進(jìn)行替代，β用下式進(jìn)行替代：
從而可得出壓縮空氣流量計(jì)工況下的實(shí)際流量方程為
2、硬件電路設(shè)計(jì)
裝置總體方案如圖2所示。
閥體按照壓縮空氣流量計(jì)設(shè)計(jì)制作，流過閥體中的攪拌氣體在A處的壓力及在A、B處的壓差分別由壓力傳感器和壓差傳感器檢測，檢測信號送至Atmega16單片機(jī)進(jìn)行測量、比較和計(jì)算，并利用溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償；攪拌氣體的流量值由顯示電路進(jìn)行顯示，并且當(dāng)攪拌氣體的流量值超過設(shè)定值時，由報警電路進(jìn)行聲光報警。
2.1壓力、壓差檢測電路設(shè)計(jì)
壓力傳感器和壓差傳感器分別選擇A型和D型，如圖3和圖4所示。SMI微壓傳感器芯片采用三維膜片結(jié)構(gòu)，用硅刻蝕工藝將產(chǎn)生的應(yīng)力（壓力）集中在傳感電阻處，這樣在保持總體精度和線性度的同時仍有很高的靈敏度。80%的應(yīng)力傳遞到膜片中的梁式區(qū)域，而膜片丟失的應(yīng)力只有20%。除了壓阻器所處的四周外，膜片的所有部分都減薄，從而得到膜片的浮凸結(jié)構(gòu)。由于傳感器看起來象機(jī)械力放大器，因而便于把膜片運(yùn)動的應(yīng)力集中在壓阻器上，增加的應(yīng)力極大地提高了信號輸出，膜片上的浮凸用做終止層。四周的薄膜有效地將器件密封起來，因此壓力不會前后移動。此外，在器件的結(jié)構(gòu)內(nèi)，離子注入電阻形成壓阻式惠斯頓電橋，凹坑減少了器件的總震動質(zhì)量。
由于壓力傳感器和壓差傳感器產(chǎn)生的電壓信號比較弱，為保證被測參數(shù)的測量精度，需用放大器將小信號放大到與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配的電平，然后才可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為此，在放大電路中選用了AD620型的運(yùn)算放大器。AD620是一款具有極低的失調(diào)電壓（zui大50μV）和偏置電流的運(yùn)算放大器，溫度漂移系數(shù)小于0.6μV/℃，只需一個外接電阻就可將增益在1～1000之間任意調(diào)整。而且，AD620體積小、功耗低的特點(diǎn)，使得它非常適用于電池供電的便攜式設(shè)備中。
根據(jù)AD620的增益計(jì)算公式G=49.4kΩ/RG+1，分別選擇5kΩ和1kΩ的電阻，可使壓力傳感器和壓差傳感器的電壓信號分別放大11倍和50倍，很好的滿足了A/D轉(zhuǎn)換器對輸入電壓的要求。
經(jīng)放大后的壓力和壓差信號都送至同一模擬量選擇開關(guān)MC4051B。MC4051B是一種的8路模擬量選擇開關(guān)，它的工作電壓為（3～18）V，其功耗非常低，僅有5μW，所以特別適合于電池供電的設(shè)備。其開關(guān)的速度快，僅為100ns～150ns。選擇開關(guān)對壓力和壓差信號的輸出切換由單片機(jī)采用定時中斷方式進(jìn)行控制，輸出的壓力信號或壓差信號送到ICL7135進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。
2.2A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。
A/D轉(zhuǎn)換采用ICL7135高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片采用CMOS工藝制作的單片41/2位A/D轉(zhuǎn)換器。在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動進(jìn)行調(diào)零操作，在±2000字（2V滿量程）范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換精度±1字，具有自動極性轉(zhuǎn)換功能；所有輸出端和TTL電路相容；有過量程（OR）和欠量程（UR）標(biāo)志信號輸出，可用作自動量程轉(zhuǎn)換的控制信號；輸出為動態(tài)掃描BCD碼；對外提供六個輸入、輸出控制信號（R/H，BUSY，STRB，POL，OVRNG，UNDRNG），因此能與異步接收/發(fā)送器、微處理器或其它控制電路連接使用。
2.3微控制器選擇
裝置采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega16型AVR單片機(jī)。它是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，外觀如圖6所示。
由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲），從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR單片機(jī)的I/O接口具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力，灌電流可直接驅(qū)動繼電器、LED等器件，從而省去驅(qū)動電路，節(jié)約裝置成本。與其它方案相比，采用ATmegal6型微處理器進(jìn)行便攜式流量計(jì)的設(shè)計(jì)，不僅能夠達(dá)到較高的測量精度，而且高度集成了測量系統(tǒng)的外圍設(shè)備，這樣很大程度上簡化了檢測電路的設(shè)計(jì)，提高了儀表的兼容能力和穩(wěn)定性，同時具有低成本、低功耗等諸多特點(diǎn)。
2.4流量顯示電路設(shè)計(jì)
流量顯示電路如圖7所示。
主要由達(dá)林頓晶體管陣列ULN2003、74HC164以及三位一體LED數(shù)碼管組成，ATmega16單片機(jī)先將流量輸出數(shù)據(jù)和脈沖信號送至74HC164進(jìn)行串行輸入并行輸出的轉(zhuǎn)換，然后將并行輸出信號接至三位一體LED數(shù)碼管，利用ULN2003驅(qū)動LED進(jìn)行流量顯示。
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)軟件采用ICCAVR編寫，ICCAVR是一種使用符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語言來開發(fā)微控制器程序的有力工具，是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境IDE。源文件全部被組織到工程之中，文件的編輯和工程的構(gòu)筑也在這個環(huán)境中完成編譯，錯誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當(dāng)你用鼠標(biāo)單擊編譯錯誤時，光標(biāo)會自動跳轉(zhuǎn)到編輯窗口中引起錯誤的那一行。這個工程管理器還能產(chǎn)生可以直接使用的INHEX格式文件，INHEX格式文件可被大多數(shù)的編程器所支持用于下載程序到芯片中去。
主程序流程圖如圖8所示。
4結(jié)語
采用以微控制器ATmega16為核心的新型便攜式流量計(jì)，具有體積小、精度高、工作可靠、性價比高等特點(diǎn)。壓縮空氣流量計(jì)能改良流體流速分布，使介質(zhì)經(jīng)過V型錐后，在下游產(chǎn)生的渦流呈高頻的、低幅度的脈動，信號噪音比非常低。因此采用壓縮空氣流量計(jì)的測量誤差遠(yuǎn)比一般差壓流量計(jì)低。同時，極其穩(wěn)定的信號使得差壓的量程下限比其他差壓流量計(jì)低。
通過實(shí)際使用表明，該流量計(jì)具有體積小、重量輕、顯示清晰、測量精度高、使用安全方便等特點(diǎn)，能夠及時、準(zhǔn)確地反映空氣攪拌系統(tǒng)的工作情況，性能達(dá)到*水平。目前該設(shè)備已投入使用50余套，在某軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
