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液管的流速直接相關(guān)，用壓力傳感器測量導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。通過檢測導液管兩端的壓力差，即可計算出通過導游管的流速和流量。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，主要由導液管和差壓式壓力傳感器組成。導液管由輸入管、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。當有液體流過導液管時，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?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，玻璃導管，單片機，導線若干，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；?利用了導液管的差壓原理而設(shè)計；?導液管結(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。