液體流量計的設(shè)計

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1、2010物理實驗競賽所選題目：流量計的設(shè)計差壓式液體流量計的設(shè)計1.實驗原理基本原理是輸入口與輸出口這間的壓力差與通過導(dǎo)液管的流速直接相關(guān)，用壓力傳感器測量導(dǎo)液管入口與出口之間的壓力差，并將其轉(zhuǎn)換成電壓量輸出。通過檢測導(dǎo)液管兩端的壓力差，即可計算出通過導(dǎo)游管的流速和流量。2.流量計結(jié)構(gòu)及理論依據(jù)差壓式液體流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由導(dǎo)液管和差壓式壓力傳感器組成。導(dǎo)液管由輸入管、節(jié)流管、輸出管和兩個取壓管組成，兩個取壓管由輸入管和輸出管引出，用于引出節(jié)流管兩端的壓力差。導(dǎo)液管可由玻璃、塑料、金屬等材料制成。

2、輸入管和輸出管的內(nèi)徑比節(jié)流管大，取壓管的內(nèi)徑通常最小。如圖1所示，輸入管、節(jié)流管和輸出管被連接成“一”字型，取壓管被對稱地接在輸入管與輸出管上。差壓式壓力傳感器通過氣管被連在兩取壓管上。當(dāng)有液體流過導(dǎo)液管時，輸入管與輸出管之間會產(chǎn)生的壓力差，輸入管壓力大于輸出管的壓力。由差壓式傳感器檢測這個壓力差，并轉(zhuǎn)換成電壓信號。另外，壓力差隨差通過導(dǎo)液管的單位時間內(nèi)液體流量（流速）的變化而變化，其關(guān)系可由以下等式來表達其中，Qv為單位時間的體積流量，α為流量計的轉(zhuǎn)換系數(shù)，Y為流體澎脹率，對于液體Y=1，g為當(dāng)?shù)刂亓铀?/p>

3、度，P1-P2為輸入管與輸出管之間的壓力差，ρ為流體密度等式（1）為用體積流量來表示，也可轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量表示，如式（2）其中，Qm差壓流量計的質(zhì)量流量，其常與（1）相同。從等（1）和（2）可以得出當(dāng)α，Y，g和ρ不變時，流量與壓力差的平方根成正比。流量轉(zhuǎn)換系數(shù)α是很復(fù)雜的一個常數(shù)，它決定于傳感器的結(jié)構(gòu)和方法，比如與獲取壓力的方式和位置等因素有關(guān)。3.所需器材26PCBFA6D型壓力傳感器，玻璃導(dǎo)管，單片機，導(dǎo)線若干，增壓泵、水閥，量筒和水池4.壓差式壓力傳感器設(shè)計本裝置采用的壓力傳感器如圖2所示，其內(nèi)部電路

4、主要是由四個應(yīng)變片電阻線成的一個惠斯通電橋電路組成。采用型號為26PCBFA6D型壓力傳感器，其量程為從0到34.445kPa，本壓力傳感器具有很高的靈敏度，線性度和穩(wěn)定性，另外還有過載能力強和溫度補償功能。在使用壓力傳感器前，對其進行性能測試。將它街上透明的水管，用水柱高坐壓力，用高靈敏度數(shù)字萬用表測量電壓，傳感器街上12v電壓。記錄數(shù)據(jù)。如成線性關(guān)系，則表示性能穩(wěn)定，可以使用。為了提高傳感器的靈敏度，采用了一個儀表放大電路如圖4所示。圖中使R1=R2=R3=R4=R5=R6，放大電路的輸入端接壓力傳感器

5、的輸出，其輸出接一個12位的ADC轉(zhuǎn)換器。放大電路的增益可以用等式（4）來表示。其中，Av是放大電路增益，所以有在上式中令K=Av·K1，Vo是放大電路輸出電壓。結(jié)合等式（1），（3），（5），流過導(dǎo)液管的液體體積流量和所對應(yīng)的電壓有以下關(guān)系：由等式（6）可以清楚地看出體積流量與放大電路輸出電壓的平方根成正比。5.實驗方案實驗裝置主要由壓力傳感器、增壓泵、水閥、量筒和水池等組成，連接成如圖5所示。另外還采用了一套單片機控制系統(tǒng)。在實驗系統(tǒng)中，所設(shè)計的導(dǎo)液管輸入管和輸出管內(nèi)徑為6mm，節(jié)流管內(nèi)徑為4mm，節(jié)流

6、管長7cm，兩個取壓管內(nèi)徑為2mm壓力傳感器采用了26PCBFA6D型，放大電路放大倍數(shù)約為37dB單片機控制主要有計時、采壓放大電路輸出的電壓同時用量筒測量某一時間留過水的體積。調(diào)節(jié)水閥改變流速，重復(fù)操作。記錄數(shù)據(jù)并畫圖。根據(jù)公式，通過軟件計算出相應(yīng)電壓的流量Qv，6.實驗結(jié)果及誤差分析把實驗所得的數(shù)據(jù)與理論值（圖6）比較應(yīng)滿足方程（7）7.流量計優(yōu)點流量計具有以下優(yōu)點：?在這壓力差傳感器的管內(nèi)沒有移動部件和阻流部件；?通過改變壓力傳感器的型號、放大電路增益和導(dǎo)液管的尺寸，很容易提高靈敏度和擴展傳感器的連

7、成范圍；?利用了導(dǎo)液管的差壓原理而設(shè)計；?導(dǎo)液管結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，經(jīng)久耐用；?靈敏度和精確度高，量程寬；?制造簡單，成本低。