【文章內(nèi)容簡介】 (2)氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經(jīng)驗；(3)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體。 研究內(nèi)容與目的前景本課題主要研究基于AT89C51芯片的流量計，主要通過流量傳感變送模塊，主控CPU智能模塊，LED數(shù)碼管顯示模塊和上位機通訊模塊四個模塊實現(xiàn)氣體流量數(shù)據(jù)的脈沖信號產(chǎn)生，脈沖信號采集，信號的處理，和基于RS485通訊接口的數(shù)據(jù)傳輸，從而最終達到流量數(shù)據(jù)在顯示單元的顯示的目的。第二章 渦輪流量計的設計原理 渦輪流量計的基本工作原理渦輪傳感器的工作原理是當流體沿著管道的軸線方向流動，并沖擊渦輪葉片時，便有與流量Q流速V和流體密度P乘積成比例的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應原理，在線圈內(nèi)將感應出脈動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比。此時葉輪葉片使檢出裝置中的磁路磁阻發(fā)生周周期性變化，因而在檢出線圈兩端感應出與流量成正比的電脈沖信號，經(jīng)前置放大后送至后續(xù)電路。然后送入顯示儀表，就可以實現(xiàn)流量的測量。流量計算式為：Q=f／K， （21）式中：Q——流經(jīng)傳感器的體積流量（L/s或m3/s）?——脈沖頻率（Hz）（它同葉輪轉(zhuǎn)動頻率成正比關系）K——渦輪流量計的儀表系數(shù)（1/L或1/m3）K是渦輪傳感器的重要特性參數(shù)，它代表單位體積流量通過渦輪流量傳感器時傳感器輸出的信號脈沖數(shù)。不同的儀表有不同的K，并隨儀表長期使用的磨損情況而變化。盡管渦輪流量計的設計尺寸相同，但實際加工出來的渦輪幾何參數(shù)卻不會完全一樣，因而每臺渦輪傳感器的儀表常數(shù)K也不完全一樣，它通常是制造廠在常溫下用潔凈的水標定出來的根據(jù)設計要求，可以將流量測量儀的硬件系統(tǒng)分解為四大模塊，即流量傳感變送模塊、主控CPU智能模塊、LED 數(shù)碼管顯示模塊和上位機通信模塊 系統(tǒng)結構如圖21所示。 看門狗電路與上位機通信流量傳感器濾波與整形數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路單片機圖21 流量計結構渦輪流量傳感器主要由儀表殼體、導流器、葉輪、軸、軸承和信號檢測傳感器等組成。其結構圖如圖22所示圖22 （1） 儀表殼體 一般采用不導磁的不銹鋼（如1Cr18Ni9Ti）或硬質(zhì)合金制成，對于大口徑傳感器也可用碳鋼與不銹鋼的鑲嵌結構。殼體是傳感器的主體部分，它起到承受被測流體的壓力，固定安裝檢測部件，連接管道的作用，殼體內(nèi)裝有、導流器、葉輪、軸和軸承，殼體外壁裝信號檢測放大器。（2） 渦輪 亦稱葉輪， 一般由高導磁材料制成（如2Cr13或Cr17Ni2等），是傳感器的檢測部件，它的作用是把流體動能轉(zhuǎn)換為機械能。葉輪有直板葉片、螺旋葉片、和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環(huán)來增加有一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率，葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設計，葉輪的動平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命.（3） 軸和軸承 通常選用不銹鋼（如2Cr14Cr1Cr17Ni2或1Cr18Ni9Ti等）或硬質(zhì)合金制作它們組成一對運動副，支持和保證葉輪自由旋轉(zhuǎn)。它需有足夠的剛度，強度和硬度，耐磨性，耐腐性等。它決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結構與材料的選用以及維護是重要問題.（4） 信號檢測傳感器，信號檢測傳感器主要由高頻信號傳感器，壓力傳感器等構成，并且附帶信號的發(fā)達器 ，國內(nèi)常用信號檢測放大器一般采用變磁阻式，它由永久磁鋼、導磁棒(鐵芯)、線圈等組成。它的作用是把渦輪的機械轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出。由于永久磁鋼對高導磁材料的葉片有吸引力而產(chǎn)生磁阻力矩，對于小口徑傳感器在小流量時，磁阻力矩在各種阻力矩中成為主要項，為此將永久磁鋼分為大小兩種規(guī)格，小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。一般線圈感應得到的電信號較小，需配上前置放大器放大、整形輸出幅值較大的電脈沖信號，當線圈輸出信號有效值在lOmV以上的可直接配用計算機顯示控制流量。第三章 流量計硬件電路設計根據(jù)設計要求，以及可行性分析，該流量計硬件部分主要可分為四個基本模塊進行設計。分別是流量傳感變送模塊、主控CPU智能模塊、LED 數(shù)碼管顯示模塊、上位機通信模塊流量積算儀通過計量傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)來測量流量大小。硬件設計主要由流量傳感器（霍爾轉(zhuǎn)速傳感器）、微處理器AT89C51芯片、液晶顯示按鍵等組成。該系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，配合外圍器件，實現(xiàn)了信號采集，數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場顯示，按鍵設置的人機界面等功能 流量傳感變送模塊渦輪流量儀的關鍵便是在于如何獲取頻率量，該模塊作為流量計頻率信號的檢測傳送單元，是流量計工作開始的第一步，該單元工作對整個流量計的正常工作有著重要意義。轉(zhuǎn)速的測量可以采用多種轉(zhuǎn)速傳感器來實現(xiàn)。按其機理轉(zhuǎn)速傳感器可以分為：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、電渦流式傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、紅外式轉(zhuǎn)速傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器等在此我們選用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器（霍爾轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖如下圖31）圖31其工作原理是?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器是基于霍爾效應原理設計的?；魻栃褪钱敺旁诖艌鲋械陌雽w基片(即霍爾元件)有電流通過，且電流方向與磁場方向垂直時，半導體基片中電荷在洛侖茲力作用下向一側(cè)偏移，在垂直于電流與磁通的霍爾元件的橫向側(cè)面上即產(chǎn)生一個與電流和磁場強度成正比的電壓，即霍爾電壓。因此，當信號轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動使得磁通量發(fā)生改變時，霍爾元件輸出變化的電信號。然后頻率信號通過電容C1濾波，再送入單片機TO端口。霍爾效應式轉(zhuǎn)速傳感器特點是可以在任意慢速下檢測運動物體的速度，它的另一個重要特點是信號處理電路通常也集成在同一封裝中，所以無需外加信號處理電路。但是霍爾傳感器由于靈敏度較低，使其與齒輪要保持比較近的檢測距離。由于安裝位置太近，容易與齒輪碰撞造成傳感器損壞。 AT89C51單片機本系統(tǒng)采用了AT89C51單片機作為核心CPUAT89C51芯片是Atmel公司的產(chǎn)品，是一種低電壓，高性能CMOS 8位微處理器.。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，片內(nèi)含有4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失存儲技術生產(chǎn)。與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元。功能強大，能夠滿足各種控制領域，提供給許多高性價比的應用場合。是一種靈活性高并且價廉的方案。（其引腳圖如下圖23） 圖331 主要特性：與MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/