【文章內(nèi)容簡介】 如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)（密度、粘度）不同時(shí)，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同 的 .通過測(cè)量差壓制便可求得流體流量，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，例如 DC4~20mA統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。因此，差壓式由產(chǎn)生差壓的裝置和差壓計(jì)兩部分組成，即一次裝置（檢測(cè)件）和二次裝置（差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表）組成。通常以檢測(cè)件形式對(duì)差壓式流量計(jì)分類 ,如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。其結(jié)構(gòu)及拿單可靠，應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固 ,性能穩(wěn)定可靠 ,使用壽命長。缺點(diǎn)是測(cè)量精度普遍偏低；范圍度窄 ,一般僅 3:1~4:1；現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高；壓損大（指孔板、噴嘴等）。 （ 2） 浮子流量計(jì) 浮子流量計(jì)是以浮子在垂直錐形管中隨 著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來進(jìn)行測(cè)量的體積 流量儀表 ，又稱 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 。在美國、日本常稱作變面積流量計(jì)（ Variable Area Flowmeter）或面積流量計(jì)。浮子流量計(jì)的流量檢測(cè)元件是由一根自下向上擴(kuò)大的垂直錐形管和一個(gè)沿著錐管軸上下移動(dòng)的浮子組所組成。 被測(cè)流體從下向上經(jīng)過錐管 和浮子形成的環(huán)隙時(shí)，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便上 12 升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)是浮子流量計(jì)有較寬的流量范圍度，一般為 10： 1，最低為 5： 1，最高為 25：1。流量檢測(cè)元件的輸出接近于線性。壓力損失較低。缺點(diǎn)是大部分結(jié)構(gòu)浮子流量計(jì)只能用于自下向上垂直流的管道安裝，不能完全適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝需要；當(dāng)使用流體和出廠標(biāo)定流體不同時(shí)，要作流量示值修正。液體用浮子流量計(jì)通常以水標(biāo)定，氣體用空氣標(biāo)定，如實(shí)際使用流體密度、粘度與之不同，流量要偏離原分度值，要作換算修正。 (3) 電磁流量計(jì) 電磁流量計(jì)的工作原理為法拉第電磁感應(yīng)定律。導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。表達(dá)式為： E=KBLv ，式中， B為磁感應(yīng)強(qiáng)度； L為測(cè)量電極之間的距離； v為被測(cè)流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的平均速度； K為比例常數(shù)。 電磁流量計(jì)主要由變送器（又稱一次裝置、檢出器或傳感器）和轉(zhuǎn)換器（又稱二次裝置或變換器）及流量顯示儀表三部 分組成。變送器把流過的被測(cè)液體的流量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)換器的作用是把電磁流量變送器輸出的和流量成比例的毫伏級(jí)電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成為可被工業(yè)儀表或控制器接收的標(biāo)準(zhǔn)直流電流、電壓或脈沖信號(hào)輸出，以便與儀表及調(diào)節(jié)器配合，實(shí)現(xiàn)流量的指示、記錄和運(yùn)算。優(yōu)點(diǎn)一是其測(cè)量精度不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響，傳感器感應(yīng)電壓信號(hào)與平均流速呈線性關(guān)系，因此測(cè)量精度高；二是測(cè)量管道內(nèi)無阻流件，因此沒有附加的壓力損失；測(cè)量管道內(nèi)無可動(dòng)部件，因此傳感器壽命極長；三是由于感應(yīng)電壓信號(hào)是在整個(gè)充滿磁場(chǎng)的空間中形成的 ，是管道載面上的平均值，因此傳感器所需的直管段較短，長度為 5倍的管道直徑；四是傳感器部分只有內(nèi)襯和電極與被測(cè)液體接觸，只要合理選擇電極和內(nèi)襯材料，即可耐腐蝕和耐磨損。 綜上考慮，本次設(shè)計(jì)采用電磁式流量計(jì)來檢測(cè)呼喝液體的流量，進(jìn)而通過程序計(jì)算出液體的精確體積，達(dá)到精確控制混合過程的目的，關(guān)于電磁式流量計(jì)的具體工作原理和液體體積的計(jì)算方法在元件具體選擇處詳述。 前向通道（ A/D）后向通道（ D/A）選擇 由于本次設(shè)計(jì)的主控制器選擇為 PLC，而實(shí)現(xiàn)模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換最簡便的方式莫過于使用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和 書模轉(zhuǎn)換模塊，接線簡單，便于安裝調(diào)試，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分為轉(zhuǎn)換模塊和轉(zhuǎn)換模塊。 PLC 模擬量處理功能主要他歐冠過模擬量輸入輸出模塊及用戶程序來完成。模擬量輸入模塊 13 接收各種傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到 PLC 中。 PLC根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求，通過用戶程序?qū)D(zhuǎn)換后的信息進(jìn)行處理結(jié)果通過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。 第三章 元件介紹及硬件電路設(shè)計(jì) 三菱 PLC 控制系統(tǒng) FX2系列 PLC 是三菱電機(jī)公司 1991年繼 F、 F F2系列之后 推出的產(chǎn)品，是目前運(yùn)行速度最快的小型 PLC 之一。下面我們以小型 FX2系列 PLC 為例介紹PLC 的硬件組成。 圖 PLC的原理圖 CPU 模塊 CPU 是 PLC 的核心組成部分，與通用微機(jī)的 CPU 一樣，它在 PLC 系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦”。其功能是： PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和外存接口 其他接口 中央處理器 CPU ROM RAM 編輯器 CPROM EPROM RAM 其他設(shè)備 計(jì)算機(jī) A/D D/A 輸入接口 光電耦合 輸出接口 繼電器或晶體管 14 數(shù)據(jù)。 用掃描方式接受現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路工作狀 態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤。 在 PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀去用戶程序，按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去起閉有關(guān)控制電路。 I/O 模塊 I/O 模塊是 CPU 與現(xiàn)成 I/O裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部件。 PLC 提供了各種操作電平與驅(qū)動(dòng)能力的 I/O 模塊和各種用途 I/O 元件供用戶選用。如輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串 /并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗(yàn)、 A/D或 D/A 變換以及其他功能模塊等。 I/O 模塊將外部輸入信號(hào)變換成 CPU 能接受的信號(hào)，或?qū)?CPU 的輸出信號(hào)變換成需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控 制對(duì)象，以確保整個(gè)系統(tǒng)正常的工作。 其中輸入信號(hào)要通過光電隔離，通過濾波進(jìn)入 CPU控制板， CPU 發(fā)出輸出信號(hào)至輸出端。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。 電源模塊 根據(jù) PLC 的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它對(duì)電源并無特殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。 PLC 一般的接口和通訊模塊還需要 和 24V 直流電源。這些電源都由PLC 本身的電源模塊供給，所以在實(shí)際應(yīng)用中要注意電源模塊的選擇。在選擇電源模塊時(shí)一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 。 PLC 電源模塊可以包括各種各樣的輸入電壓，有220V 交流、 110V 交流和 24V 直流。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體情況選擇，此時(shí)QS 1三相電源PENL1AC 22 0VQS 2隔離變壓器交流穩(wěn)壓器P L C 15 要注意，確定了輸入電壓后，也就確定了系統(tǒng)供電電源的輸入電壓。 。在選擇電源模塊時(shí)，其額定輸出功率必須大于CPU 模塊、所有 I/O 模塊、各種智能模塊等總的消耗功率之和，并且要留有30%左右的余量。當(dāng)同一電源模塊既要為主機(jī)單元到最遠(yuǎn)一個(gè)擴(kuò)展單元的線路壓降必須小于 。 。在有的系統(tǒng)中，由于擴(kuò)展單元中安裝有智能模塊及一些特殊模塊，就要求在擴(kuò)展單元中安裝相應(yīng)的電源模塊。這時(shí)相應(yīng)得電源模塊輸出功率 可按各自得供電范圍計(jì)算。 。選定了電源模塊后，還要確定電源模塊的接線端子和連接方式，以便正確進(jìn)行系統(tǒng)供電的設(shè)計(jì)。一般的電源模塊輸入電壓是通過接線端子與供電電源相連的，而輸出信號(hào)則通過總線插座與 PLC 的 CPU 的總線相連。 溫度傳感器 PT100 Pt100的外觀如圖所示： 圖 9 Pt100外觀圖 Pt100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下： 測(cè)量范圍 200℃～ +850℃ 允許偏差值△℃ A級(jí)177。（ ＋ │ t│） B 級(jí)177。（ ＋ │ t│） 熱響應(yīng)時(shí)間 30s 最小置入深度 熱電阻的最小置入深度≥ 200mm 允通電流 ≤ 5mA 另外， Pt100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。 16 鉑熱電阻的線性較好，在 0℃～ 100℃之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于 氏度。 鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為： （ 1） 200℃ t0℃時(shí)， RPt=100*[1+At+B*t2+C*t3*(t100)] () （ 2） 0℃≤ t≤ 850℃時(shí)， RPt=100*[1+At+B*t2] () 式中 ， A= 10 3,B= 10 8， C= 10 13。 可見 Pt100 在常溫 0℃～ 100℃之間變化時(shí)線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡化為： RPt=100（ 1+At），當(dāng)溫度變化 1℃， Pt100 阻值近似變化 Ω。 Pt100 寬范圍、高精度的特點(diǎn) ,使其測(cè)量領(lǐng)域很廣，如：軸瓦，缸體，油管，水管，汽管，紡機(jī)，空調(diào)，熱水器等狹小空間工業(yè)設(shè)備測(cè)溫和控制；汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、飲水機(jī)、咖啡機(jī)，烘干機(jī)以及中低溫干燥箱、恒溫箱等 。供熱 /制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶熱能 計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測(cè)溫和控制。 Pt100 傳感器內(nèi)部電路如圖 所示。 圖 10 Pt100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 R R R4和 Pt100組成傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過 TL431 穩(wěn)至 。從電橋獲取的差分信號(hào)通過兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻 R3，通過調(diào)節(jié)R3可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。 放大電路采用 LM358 集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，前一級(jí)約為 10 倍，后 一級(jí)約為 3倍。溫度在 0℃～ 100℃變化，當(dāng)溫度上升時(shí)， Pt100 阻值變大，輸入放大電路的 17 差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓對(duì)應(yīng)升高。 發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路。其驅(qū)動(dòng)方式有自激型和他激型，圖 2 給出的是自激型運(yùn)放振蕩電路。 超聲波傳感器接收電路。超聲波在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生能量的衰減，因此接收電路必須對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。若增益不足時(shí)，可再增加一級(jí)放大。 設(shè)計(jì)中選用 SONIC 系列超聲液位（物位）計(jì)，采用超聲波收發(fā)、測(cè)量時(shí)間差原理測(cè)得液位（物位）高度。產(chǎn)品具有自動(dòng)功率調(diào)整，增益 控制，溫度補(bǔ)償，先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，提高了儀表的測(cè)量精度，豐富的 SIEMENS類的軟件功能對(duì)干擾回波有抑制功能，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、建筑、糧食、給排水等行業(yè)，既可測(cè)量液體物料也可測(cè)量固體物料。 SONIC 系列超聲波物（液）位計(jì)技術(shù)參數(shù)如下表所示： 顯 示 主機(jī) 2*16LCD背光顯示液（物）位高度 量 程 3 m、 5m、 10 m、 15 m、 30 m、 40 m 盲區(qū)及開角 盲區(qū) m(與量程有關(guān) )，開角小于 12度 測(cè)量精度 分辨率 1mm 測(cè)量周期 小 于 （根據(jù)不同要求調(diào)整） 18 信號(hào)輸出 420mA（光隔離），負(fù)載小于 750Ω ， RS485 繼電器觸點(diǎn)容量 AC250V， 7A。上下限報(bào)警輸出 環(huán)境溫度 (儀表 )25℃~50℃。 ( 傳感器 )25℃~80℃ 環(huán)境濕度 相對(duì)濕度小于 85% 功 耗 小于 5W 防護(hù)等級(jí) IP65(一體式 )。IP67(分體式傳感器 ) 電 源 AC220V177。15% 50Hz 或 DC24v（ 18v— 30v） 電磁流量計(jì) 電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。在電磁流量計(jì)中，測(cè)量管內(nèi)的 導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗(yàn)中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。管道內(nèi)部的兩個(gè)電極測(cè)量產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。測(cè)量管道通過不導(dǎo)電的內(nèi)襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現(xiàn)與流體和測(cè)量電極的電磁隔離。 電磁流量計(jì)的測(cè)量原理，見圖所示。當(dāng)充滿管道連續(xù)流動(dòng)的導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中垂直于磁力線方向通過時(shí)，由于導(dǎo)電液體切割磁力線，則在管道兩側(cè)的電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E， E的大小與液體流動(dòng)速度 v有關(guān)： E=BDv 108， 式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度； D為管道直徑，單位為 cm。流體的體積流量 Q（ cm3/s） 與流速（ cm/s）的關(guān)系為： Q=π D2v/4，將此式代入上式得： E=4BQ 108/π D=kQ，式中， k為儀表常數(shù)， k=4 108B/π D，當(dāng) B和 D一定時(shí)， k為常數(shù)。 由 Q的計(jì)算公式知，電磁流量計(jì)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流量具有良好的線性特性。 電磁流量變送器是由勵(lì)磁電路、信號(hào)濾波放大電路、 A/D采樣電路、微處理器電路、 D/A電路、變送電路等組成。轉(zhuǎn)換部分將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行電壓放大、相敏檢波、功率放大和 V/I轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)換成 DC 4~20mA統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) Io輸出，可見 Io與被測(cè)流量具有線性關(guān)系。 電磁流量變送器的測(cè) 量管道中無阻力元件，氣壓力損失小，流速范圍大，可達(dá) ~10m/s；量程比達(dá) 10： 1；其精度可優(yōu)于 。電磁流量變送器對(duì)被測(cè)液體的導(dǎo)電率有一定的要求，一般要求導(dǎo)電率 r104s/cm。同時(shí)，流量計(jì)前后要有一定的直管道長度，同茶館大于（ 5~10） D，其