【正文】 DddStf ??? (3— 3) 對(duì)于許多經(jīng)過(guò)適當(dāng)選擇的柱型，由于 St 數(shù)在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可以看成是常數(shù)。一旦柱體和流道的幾何尺寸及其形狀確定后， f 便與 ? 成為簡(jiǎn)單的正比 關(guān)系，因而檢測(cè)出漩渦的頻率，便可以測(cè)得流速，并以此推知其流量。這就是渦街流量計(jì)的基本原理。 瞬時(shí)流量為 ： m dfStDDq v 44 22 ??? ?? (3— 4) 一個(gè)簡(jiǎn)化了的計(jì)算瞬時(shí)流量的計(jì)算公式為： ?vtv qqKfq ?? , 其中， ? 為補(bǔ)償后的流體密度 ， K 為儀表常數(shù)。 物理模型 渦街流量計(jì)由殼體、漩渦發(fā)生體和放大器組成。殼體內(nèi)插入柱體，由其產(chǎn)生的渦街信號(hào)可用各種檢測(cè)方式檢出，經(jīng)放大 器放大后，輸出脈沖信號(hào)。 渦街流量計(jì)是一種無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的流量計(jì)，按其原理分類屬于振蕩型流量計(jì)。同屬于這類流量計(jì)還有漩渦進(jìn)動(dòng)型流量計(jì) ， 振蕩射流型流量計(jì)。由于渦街流量計(jì) 不 含有運(yùn)動(dòng)部件及對(duì)流體沖刷敏感的部件，因而在使用過(guò)程中，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，并具有一般節(jié)流式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，精確度穩(wěn)定，再現(xiàn)性好。在大批量生產(chǎn)和工藝穩(wěn)定的條件下，可以采用 “干校驗(yàn)法 ”，即不必逐臺(tái)儀表進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定，可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸直接確定儀表常數(shù)及儀表精度。渦街流量計(jì)是一種數(shù)字式流量計(jì)，它輸出的脈沖信號(hào)的頻率與流量成線性關(guān)系，同時(shí)具有量程寬、重復(fù)性好 、 便于遠(yuǎn)距離無(wú)精度損失的傳輸。此外儀表常數(shù)及精度不受介質(zhì)的壓力、溫度、密度等變量的影響。一旦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)確定 ， 流體振蕩就服從一定的客觀規(guī)律，其振蕩頻率不能人為地改變，因而儀表常數(shù)及其變化規(guī)律是客觀的。 渦街流量計(jì)的正式產(chǎn)品目前采用的漩渦發(fā)生體是多種多樣的，但圓管內(nèi)大量采用的漩渦發(fā)生體都是柱體，其斷面形狀基本有 5 種：圓柱 、 三角柱 、 矩形柱 、 梯形柱 和T 形柱。此外還可以采用以上 5 種柱型的修改形狀或變形，以及幾種基本形狀組合在一起的組合柱型。 組合柱體能在柱體長(zhǎng)度方向上同步地分離出漩渦，并且在盡可能寬的流速范圍內(nèi)分離出 穩(wěn)定、規(guī)則的渦街 。 柱體具有遠(yuǎn)高于渦街頻率的自振頻率，材質(zhì)要適當(dāng)考慮被測(cè)介質(zhì)的要求，與此同時(shí)要在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有恒定的 St 數(shù)。 其中 梯形柱與三角柱相比，更有利于采用應(yīng)力檢測(cè)方法，梯形柱的長(zhǎng)寬比與三角柱接近，尾部平直便于安裝差壓傳感元件，并且它比組合柱體的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)烈、排列規(guī)則，更便于檢測(cè)，故本系統(tǒng)的漩渦發(fā)生體采用梯形柱體。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 應(yīng)用中的問(wèn)題 由于溫度和壓力的變化會(huì)對(duì)流體的密度產(chǎn)生影響，所以在測(cè)量的時(shí)候必須對(duì)密度的實(shí)際值進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償采用以下公式 : 100)1( ????xx ??? (3— 5) 式中， ? 實(shí)際密度， kg/m3 0? 飽和蒸汽密度， kg/m3 1? 水密度， kg/m3 x 干度影響系數(shù) 其中飽和蒸汽密度 0? 和水 密度 1? ，干度影響系數(shù) X 依據(jù)蒸汽干度 S 查表。經(jīng)過(guò)查表，得到補(bǔ)償后的實(shí)際 密度代 入公式計(jì) 算 流體的流量（表附在附錄 D）。 本章小結(jié) 本章介紹了渦街流量計(jì)，用圖解和公式推導(dǎo)的方法詳細(xì)分析了渦街流量計(jì)的工作原理和基本特性，并詳細(xì)闡明了渦街流量計(jì)如何與漩渦發(fā)生體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力頻率的精確檢測(cè)，對(duì)在實(shí)踐中遇到的影響檢測(cè)精度的因素做了分析并給出了解決方法。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 第 4章 渦街流量計(jì)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路總體設(shè)計(jì) 微處理器是智能化儀表的核心，如同人的大腦一樣。在本測(cè)量系統(tǒng)中，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的 核心部件，使系統(tǒng)增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理、自診斷、顯示與報(bào)警等功能。單片機(jī)的加入，可以 用 軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)某些功能，使儀表結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化、體積減小、成本降低，而工作的可靠性、靈活性及儀表的功能大為提高。 硬件與軟件設(shè)計(jì)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的重要步驟。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的要求： 1．明確系統(tǒng)測(cè)試、控制要求，盡量做到模塊化編程； 2．利用單片機(jī)指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，尋址方式多的優(yōu)點(diǎn)，盡量編制出層次清楚，運(yùn)行速度快，占內(nèi)存少的源程序； 3．盡量采用己成熟的源程序和模塊； 4．盡可能選擇典型電路，使用常規(guī)組件； 5．系 統(tǒng)擴(kuò)展與配置應(yīng)滿足測(cè)控功能需要并留有余地，以方便系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試和二次開發(fā)； 6．硬件盡可能簡(jiǎn)單，能用軟件完成的功能盡量用軟件完成； 7．軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)?shù)亓粲杏嗟亍? 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件主要包括單片機(jī)、傳感器、傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器、 A/D 轉(zhuǎn)換、 LCD顯示電路、芯片監(jiān)控電路、通信接口電路，如圖 41 所示： 傳 感 器 信 號(hào) 調(diào) 節(jié)器A / D 轉(zhuǎn) 換 A T 8 9 C 5 2L C D 顯 示R S 2 3 2 串 行 接 口看 門 狗 圖 41 硬件總體設(shè)計(jì)圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 傳感器部分電路 傳感器 利用伴隨漩渦分離的物理效應(yīng)，可以采用熱敏、力敏元件或通過(guò)光、聲調(diào)制方法等來(lái)檢測(cè)漩渦分離頻率。 至今用于檢測(cè)分離頻率的方法和采用的元件是多種多樣的，歸納起來(lái)有以下幾種典型方法： 1．熱敏元件檢測(cè)方法漩渦分離產(chǎn)生的交變環(huán)流所引起的整體表面速度脈動(dòng)或者交變橫向流的頻率，用加熱的金屬絲、熱敏電阻器等進(jìn)行檢測(cè)。 2．力敏元件檢測(cè)方法漩渦分離造成的交變差壓、交變升力或者交變升力引起的機(jī)械振動(dòng)，用差動(dòng)電容、電阻應(yīng)變片、壓電晶體、壓電陶瓷等檢測(cè)。 3．電磁傳感器檢測(cè)方法漩渦的分離所引起的膜片或者梭球等的往復(fù)振動(dòng)的頻率，用電磁傳感器檢測(cè)。 4．聲、光信號(hào)調(diào)制檢測(cè)方法利用聲束光束通過(guò)渦街時(shí)受到漩渦的調(diào)制，由接收聲強(qiáng)光強(qiáng) 或相位的脈動(dòng)頻率得到漩渦分離頻率。 由于渦街流量計(jì)是利用流體自身的規(guī)則振蕩來(lái)計(jì)量流量的，因而對(duì)流體的速度分布及流動(dòng)噪聲，比較敏感，因此在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)管道安裝狀況要求較高。對(duì)上游不同形式的阻力件必須配置足夠長(zhǎng)的滿足不同要求的直管段，以保證儀表的測(cè)量精度。 壓力傳感器可分為液柱式壓力傳感器、彈性元件傳感器、壓變電阻式傳感器和壓電式傳感器。液柱式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，但是測(cè)量結(jié)果只能就地讀取，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。彈性元件傳感器一般在測(cè)量較大壓力的場(chǎng)合使用。壓變電阻式傳感器的靈敏度高、測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)快 ，但是易受電阻片結(jié)構(gòu)、貼片用膠、貼片工藝以及工作環(huán)境溫度影響。而壓電晶體傳感器采用半導(dǎo)體硅阻效應(yīng)原理，在單晶硅片上運(yùn)用獨(dú)有的激光刻蝕修正技術(shù)來(lái)制作固態(tài)電阻電橋，硅晶體受力后發(fā)生相應(yīng)的微變形，在應(yīng)力消失后恢復(fù)到原來(lái)的形狀，是一種良好的接收應(yīng)力的材料，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料，靈敏度高 (是電阻絲式的 50 倍 )、線性范圍大、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，尤其是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻帶寬、動(dòng)態(tài)誤差小，使它在振動(dòng)等測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。因此，研究的渦街流量計(jì)系統(tǒng)使用壓電式壓力傳感器來(lái)測(cè)量流體的壓力。 壓力傳感器選擇 TPF 系列傳感器。 TPF 壓力傳感器有一個(gè)流體測(cè)量膜，被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)高粘度液體，而具有內(nèi)部測(cè)量腔的普通傳感器做不到這一點(diǎn)。 圖 42 TPF 傳感器電氣連接圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 TPF 主要特征： 1．壓力范圍 ： 0~10， 0~1000 bar / 0~150， 0~15000 pa 2．精度等級(jí) ： %大于 50 bar； % 小于或等于 5bar 3．完全不銹鋼結(jié)構(gòu) 4．內(nèi)部產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 5．保護(hù)等級(jí) ： IP65 傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器 MAX1450 傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器用于處理壓力傳感器送來(lái)的信號(hào)。它包括一個(gè) 用于傳感器激勵(lì)的可調(diào)節(jié)的電流源和一個(gè)三字節(jié)的可編程放大器 (PGA)。 通過(guò)外部的可調(diào)節(jié)電阻器、電位器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DA)， MAX1450 可以對(duì)傳感器的非線性輸出進(jìn)行補(bǔ)償。 MAX1450 能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)進(jìn)行補(bǔ)償，這使得它在低功耗和中等精度的應(yīng)用中最理想。 MAX1450 主要特點(diǎn) ： 1．可對(duì) 1%的傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié) ； 2．使用儲(chǔ)存在外部可調(diào)節(jié)的電阻器、電位計(jì)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)的系數(shù)來(lái)更正傳感器的非線性 ； 3．用于傳感器激勵(lì)的可編程電流源 ； 4．快速信道設(shè)置時(shí)間 ； 5．可接受 10mV/V 到 30mV/V 的傳感器信號(hào)輸出 ； 6．完全的模擬信道 ； MAX1450 的引腳圖，與 單片機(jī) 的 連接圖分別見圖 43， 44。 圖 43 MAX1450 引腳圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 44 MAX1450 與單片機(jī)連接圖 MAX1450 的各個(gè)引腳功能如下： 表 41 MAX1450 引腳功能 管腳號(hào) 代號(hào) 功能 1 INP 正傳感器輸入 1 16 IC 內(nèi)部連接，斷開連接 4 SOTC 偏移量 TC 輸入符號(hào)位 5 SOFF 偏移量輸入符號(hào)位 6 A1 PGA 獲得設(shè)置輸入 7 A0 PGA 獲得設(shè)置 LSB 輸入 8 OFFOC 偏移量 TC 調(diào)節(jié) 9 OFFSET 偏移量調(diào)節(jié)輸入 10 BBUF 緩沖橋式電壓輸出 11 FSOTRIM 電橋驅(qū)動(dòng)電源設(shè)置輸入 13 A2 PGA 獲得設(shè)置 MSB 輸入 14 OUT PGA 輸出電壓 15 DDV 正供電電壓輸出 17 ISRC 電流源參考 18 SDRIVE 傳感器激勵(lì)電源輸出 19 SSV 負(fù)供電電壓輸出 20 INM 負(fù)傳感器信號(hào)輸入 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 為了進(jìn)行數(shù)字量和控制系統(tǒng)的處理，我們需 要設(shè)計(jì)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，將從濾波器傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。 A/D 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為間接 A/D 轉(zhuǎn)換器和直接 AD/轉(zhuǎn)換器。所謂間接 A/D 轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓 /時(shí)間轉(zhuǎn)換型 (積分型 )，電壓 /頻率轉(zhuǎn)換型，電壓 /脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，且能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢 ； 直接 A/D 轉(zhuǎn)換器是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器， 易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化 A/D 芯片采用逐次逼近型者多。因此我們?cè)诰C合考慮各種 A/D 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取了逐次逼近式的具有串行總線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 MAXl87，它僅有 8 個(gè)引腳，外圍接線很少 ,體積小、速度快、精度高。 MAX187 是美信公司推出的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣 /保持電路，單5V 操作電源，轉(zhuǎn)換速度為 ，具有片上 參考電壓，模擬量輸入范圍為0~ BEPV 。三線串行接口，兼容 SPI， QSPI， Microwire 總線。 MAX187 有 8 腳 DPI 封裝和 16 腳 DPI 封裝 2 種，圖 45 給出封裝的引腳排列。 圖 45 MAX187 引腳圖 各引腳功能如下 ： 1． +SV 電源 ； 2．模擬量輸入 ： 范圍 0~ REFV ； 3．操作模式選擇 ： 低電平為休眠模式，正常操作模式為高電平是使用內(nèi)部參考，懸空時(shí)禁止內(nèi)部參考 ； 4．參考電壓 ： 內(nèi)部參考為 ，使用內(nèi)部參考時(shí)此 的申容，使用外部參考時(shí)，接 ~VDD 的基準(zhǔn)電壓 ； 5．地 ； 6．?dāng)?shù)據(jù)輸出 ； 7．片選端 ； 8．時(shí)鐘，最 高為 5MHZ。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 MAX187用采樣 /保持電路和比較寄存器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 12位的數(shù)字信號(hào)，其采樣 /保持電路不需要外接電容。 MAX187 有 2 種操作模式 ： 正常模式和休眠模式，將 SHDN 置為低電平進(jìn)入休眠模式，這時(shí)的電流消耗降到 10pA 以下。 SHDN置為高電平或懸空進(jìn)入正常操作模式。 使用內(nèi)參考時(shí)，在電源開啟后，經(jīng)過(guò) 20ms 后參考引腳的 電容充電完成，可進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換操作。 A/D 轉(zhuǎn)換的工作過(guò)程是 ： 當(dāng) CS 為低電平時(shí)，在下降沿MAX187 的 T/H 電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開始轉(zhuǎn)換， 后 DOUT 輸出為高 電平作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志。這時(shí)可在 SCLK 端輸入一串脈沖將結(jié)果從 DOUT 端移出，讀入單片機(jī)中處理。數(shù)據(jù)讀取完成后將 CS 置為高電平。要注意的是 ： 在 CS 置為低電平啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)到 DOUT 有效 (或者延時(shí) 以上 )，才能發(fā) SCLK 移位脈沖讀數(shù)據(jù)， SCLK 至少為 13 個(gè)。發(fā)完脈沖后應(yīng)將 CS 置為高電平。 用單片機(jī) AT89C52 的 P1 口來(lái)控制 MAX187 的轉(zhuǎn)換。 接時(shí)鐘 SCLK， 接片選 CS， 接數(shù)據(jù) DOUT。 MAX187 電源需要加去耦合電