【文章內(nèi)容簡介】 ） 渦街流量計 6 第二章 渦輪流量計的設(shè)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(dāng)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(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)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(yīng)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(guān)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(shè)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(biāo)定出來的 根據(jù)設(shè)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(jié)構(gòu)如圖 21所示。 圖 21 流量傳感器 濾波與整形 數(shù)碼管顯示 驅(qū)動電路 單片機 與上位機通信 看門狗電路 ） 渦街流量計 7 流量計結(jié)構(gòu) 渦輪流量傳感器主要由儀表殼體、導(dǎo)流器、葉輪、軸、軸承和信號檢測傳感器等組成 。其結(jié)構(gòu)圖如圖 22所示 圖 22 （ 1） 儀表殼體 一般采用不導(dǎo)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(jié)構(gòu)。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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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，其葉片數(shù)視口徑大小而定 .葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計，葉輪的動平衡） 渦街流量計 8 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 2Cr1 4Cr1 Cr17Ni2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(jié)構(gòu)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(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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。 ） 渦街流量計 9 第三章 流量計硬件電路設(shè)計 根據(jù)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置的人機界面等功能 流量傳感變送模塊 渦輪流量儀的關(guān)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） 轉(zhuǎn) 軸 ?引 出 線集 成 霍 爾 元 件磁 塊轉(zhuǎn) 動 部 件 ） 渦街流量計 10 圖 31 其工作原理是。 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理設(shè)計的?；魻栃?yīng)就是當(dāng)放在磁場中的半導(dǎo)體基片 (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(dǎo)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(dāng)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(yīng)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 CPU AT89C51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(shù)制造， 片內(nèi)含有 4k bytes的可反復(fù)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(shù)生產(chǎn)。 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域，提供給許多高性價比的應(yīng)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） ） 渦街流量計 11 圖 33 1 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 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2 管腳說明： VCC：供電電壓。