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靶式流量計(jì)知識(shí)講座——電渦流式

靶式流量計(jì)是通過(guò)一塊靶板將流體所攜帶的動(dòng)壓能轉(zhuǎn)化為對(duì)靶的作用力，再經(jīng)過(guò)檢測(cè)靶板所受作用力的大小，從而計(jì)算得到相應(yīng)的流速及流量。流體流動(dòng)時(shí)對(duì)中心靶的作用力主要是流體對(duì)靶的沖擊力和因流速在靶后分離產(chǎn)生的差壓而形成的作用力。經(jīng)計(jì)算分析可知，流體對(duì)靶的作用力F與流速u的平方成正比，其關(guān)系如式（1）。

（1）

　　式（1）中：F—流體對(duì)靶的作用力；ζ—阻力系數(shù)（當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，ζ趨于常數(shù)）；A—靶的迎流面積；u—靶和管壁間環(huán)形截面處流體的平均流速；ρ—流體密度。

　　我們令α=1ζ，作用力F與體積流量的關(guān)系見(jiàn)式（2）：

（2）

　　式（2）中：D—管道內(nèi)徑；α—流量系數(shù)；β—靶徑比，β=d/D（d為靶徑）；K—常系數(shù)。取D=50mm，β=0。8時(shí)，當(dāng)Re>2030，流量系數(shù)α是一個(gè)常數(shù)。于是Qv就和F的開(kāi)方呈線性關(guān)系[6]。

　　電渦流傳感器機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量線性范圍大，而且具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，適用于作為流量檢測(cè)儀器儀表的傳感器。

　　電渦流靶式流量計(jì)主要由測(cè)量管（外殼）、阻流元件（靶）、電渦流傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、信號(hào)處理電路、液晶顯示等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1。

　　靶桿選用的材料是45號(hào)鋼，它是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，具有較高的強(qiáng)度和韌性，在多次試驗(yàn)中不易變形，且探頭對(duì)它的檢測(cè)靈敏度較高。試驗(yàn)中，將靶桿固定在測(cè)量平臺(tái)的一端，電渦流傳感器置于平臺(tái)的可水平移動(dòng)部件上，并配以千分尺來(lái)讀取位移值，就可得到傳感器和靶桿之間位移和輸出電壓的關(guān)系曲線。測(cè)量時(shí)，在0～5mm的位移區(qū)間內(nèi)，每增加0。5mm的位移量測(cè)一次電壓值。在這里選取三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成位移-電壓關(guān)系圖，

　　可以看到，電渦流傳感器的非接觸測(cè)量，重復(fù)性非常好，尤其在0。5mm～3mm的位移時(shí)線性良好?？蛇x取這段距離作為靶式流量計(jì)的工作距離。電渦流傳感器可長(zhǎng)期可靠工作，靈敏度高，響應(yīng)速度快。在無(wú)損檢測(cè)和大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制核心單元選用的是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的單片機(jī)MSP430F435，圖4為整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)控制器為一片MSP430F435單片機(jī)。外部模塊包括流量檢測(cè)、壓力檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電源模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出、時(shí)鐘芯片等。

　　流量信號(hào)由電渦流式傳感器檢測(cè)，通過(guò)信號(hào)處理電路輸出電壓信號(hào)。將此電壓信號(hào)送入單片機(jī)的A/D處理，計(jì)算得到相應(yīng)的瞬時(shí)流量和累積總量。再由單片機(jī)與AD420芯片進(jìn)行通信最終將瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)化為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的遠(yuǎn)傳。

　　溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度計(jì)，鉑電阻在很寬的范圍內(nèi)有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，因此有極好的復(fù)現(xiàn)性能，是作為精密溫度計(jì)的主要傳感器[9]。壓力傳感器采用MPX10型微型壓力傳感器。溫度和壓力傳感器采集得到的信號(hào)分別經(jīng)儀表放大器放大后送給單片機(jī)對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償。

　　MSP430單片機(jī)對(duì)傳感器采集的流量、溫度、壓力信號(hào)，進(jìn)行濾波、線性修正、密度補(bǔ)償?shù)葦?shù)字處理，并將最后的瞬時(shí)流量、累積流量、溫度和壓力顯示在液晶屏上。

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