本科毕业论文___基于单片机的流量信号检测系统设计(编辑修改稿)

本科毕业论文___基于单片机的流量信号检测系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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。 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 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。 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。 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。 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。 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 第 2章 流量测量基本概念 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 m3/s 或 m3/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 VQ ，质量流量为 mQ ，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 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： 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。 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。 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 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 q 或雷诺数 Re 的关系 ； 另一种是表示流量计测量误差随流量 q 或雷诺数 Re 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 s 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 mm1 时，输出电压变化为 mV200 ，则其灵敏度应表示为 mmmV/200。 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 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 gF 和粘性力 (内摩擦力 ) mF 之比称为雷诺数 ， 用符号 Re 表示 ， Re 是一个无因次量。 lvvlssvFFmg   2Re (2— 7) 式中的动力粘度  用运动粘度  来代替，因为 v ，则  vllv Re (2— 8) 式中 ： v流体的平均速度 l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 Re2020 为层流状态， Re4000为紊流状态， Re=2020~4000 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 v 与最大流速 maxv 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。 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。 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 第 3章 涡街流量计基本概念 涡街流量计原理及模型 卡门涡街 涡街流量计是利用流体力学卡门涡街原理，即在流动的流体中插入一个非流线型断面的柱体，流体流动受到影响，在一定的雷诺数范围内将在柱体下游，产生漩涡。 当这些漩涡排列成两排 且 当两排漩涡的间距 h 与同列中两相邻漩涡的间距 L 之比满足 h/L= 时，就能得到稳定的交替排列漩涡。 这种稳定而规则地排列的漩涡称为“ 卡门涡街 ”。 图 31 卡门涡街原理图 实验表明，漩涡分离频率，即单位时间内在由柱体一侧产生的漩涡数目 f 与流体速度 v 成正比，与柱体迎流面的宽度 d 成反比，即 ： dvStf  (3— 1) 其中： f 漩涡分离频率 (Hz ) St 斯特劳哈尔数（无量纲）。 对于一定柱形在一定流量范围内是雷诺数的函数。 v 漩涡发生体两侧的流速（ m/s） d 漩涡发生体迎流宽度（ mm） 用管道内平均流速  代替 v，根据流体连续方程，有 Ddv  (3— 2) 其中：  管道内流体平均速度， m/s D涡街流量计内壳的内径， mm 将 32 式带入 31 式可以得到： V h 漩涡 漩涡发生体 V p V L 哈尔滨理工大学学士学位论文 10。