涡轮流量计标定装置及测量电路设计毕业论文

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

毕业论文

目录

1 绪论 (5)

1.1 研究的背景、目的和意义 (5)

1.2 微小流量测量概术 (5)

1.2.1 微小流量测量的研究现状 (5)

1.2.2 微小流量测量仪表研究现状 (6)

1.2.3 微小流量标准装置研究现状 (6)

1.3 流量标定装置发展趋势 (7)

1.4涡轮转速信号采集研究发展趋势....................................................................... .. (7)

1.5 本课题研究的主要容、技术路线及需解决的技术关键 (8)

1.5.1 研究的指导思想 (8)

1.5.2 主要研究容、技术关键与难点 (8)

2 小量程流量计的选择及设计 (10)

2.1 涡轮流量计概述 (10)

2.1.1 涡轮流量计发展概况 (10)

2.1.2 涡轮流量计的特点 (11)

2.2 切向式涡轮流量计 (12)

3 试验系统的建立与选择 (17)

3.1 微小流量的定常流测量原理 (17)

3.2 静态质量法液体微小流量测量装置 (17)

3.3 动态质量法液体微小流量测量装置 (18)

3.4 基于以上两种测量方法，对比分析并选择试验系统 (19)

4 动态质量法测量装置 (21)

4.1 测量系统的原理及设计 (21)

4.2 测量系统的优化及改进 (22)

4.2.1 稳压源的改进 (22)

4.2.2 称重容器的改进 (23)

4.2.3 称重装置的改进 (25)

5 流量计标定技术 (27)

5.1 流量标定技术分类 (27)

5.2 切向涡轮流量计的标定 (27)

6 转速传感器所连接电路及步进电机调控装置 (30)

6.1传感器后信号调理电路设计....................................................................... (30)

6.1.1转速传感器所连接电路....................................................................... (30)

6.1.2转速传感器所连接电路的软件绘制 (32)

6.2步进电机调控装置....................................................................... .. (33)

6.2.1并口卡....................................................................... . (34)

6.2.2HYQD—100两项混合式步进电机驱动器 (40)

6.2.3电动机....................................................................... . (43)

6.2.4装置效果图....................................................................... .. (43)

7 装置不确定度分析 (45)

7.1 测量动态误差分析 (45)

7.2 计时器的不确定度 (45)

7.3 电子秤的不确定度 (46)

7.4 合成标准不确定度 (47)

7.5 扩展不确定度 (47)

8 总结 (48)

参考文献 (50)

致谢 (54)

1 绪论

1.1研究的背景、目的和意义

近年来随着能源和水资源的全球性匮乏，和在石油、化工、电力、冶金、采矿、食品、轻工等很多工业生产过程中，对流量的测量都是必不可少的，因此全社会对流量计量测试技术的要求越来越高。国家质量监督检验检疫总局批准发布了各种流量计量设备的检定规程，将流量计量设备的检定列为国家强制检定项目。对于流量计量来说，各种流量标准装置是实施计量服务的主要手段，其自身的功能、精度与先进程度就显得至关重要。在对燃油测量精度越来越高的今天，任何微小的标准量值的差异都将导致严重的经济利益矛盾。因此计量的准确性愈来愈受到人们的普遍关注。如何进一步提高其测量精度是一个重要而又现实的问题。

针对目前微小流量测量中存在的问题，本文提出了一种用简单、有效定常流测量微小流量的原理及其实现方法，改进了稳压装置，简化了测量过程，降低了成本，提高了测量精度。并且本文对所设计的流量计装置在电方面进行了深入的探讨进一步的研究，是本文显得更加充实饱满。本课题研究成果不仅具有显著的社会效益，而且还具有广阔的推广应用前景。

本文研究的目的是：用动态称重方法进行流量测量, 从而建立一套结构简单、精度高、运行效率高、性价比高的液体流量标准装置自动检定系统，一方面能保证流量计量设备准确的量值通过电信号的传递，另一方面能有效地避免在生产和贸易结算领域应用的流量计量设备由于计量精度而引起的生产浪费和贸易纠纷等。

1.2微小流量测量概术

1.2.1微小流量测量的研究现状

微小流量在业界尚无公认的定义和界限，因其应用领域而异是一个模糊的概念。微小流量测量体现于流量本身微小和流速低两个方面，通常的微小流量根据行业习惯不同可以分为小流量、微小流量和超微小流量三个层次，在医疗器械和微小流体器件的流量测量领域，通常可将液流通道直径小于15 mm，流量围为几百ml/min至几千ml/min液体微小流量的定常流流量测量称为小流量测量；将液流通道直径介于0.1 mm 至2 mm，流量围为几ml/min至几百ml/min的流量测量称为微小流量测量；将液流通道直径小于0.1 mm，流量围为1 ml/min、甚至几ml/min的流量测量称为超微小流量测量。对于微小流量的测量方法的研究，目前主要集中在小流量仪表和小流量标准装置的开发研究两个方面。而对于本文研究围为几ml/min至几百ml/min的流量的测

量，介于通常的小流量测量和超微小流量测量之间，对其测量方法的研究，特别是对其测量原理的研究，目前可见的文献并不很多。

1.2.2微小流量测量仪表研究现状

微小流量仪表是微流量测量和控制系统的检测反馈元件，其研究现状是微小流量测量原理和测量方法进展的直接反映。由于微小流量测量时流体的动能甚小，在测量微小流量时，仪表检测灵敏度和稳定度不能满足要求，测量精度下降，成本增加。目前，国外水力机械试验台流量测试仪表主要有：标准差压流量计、孔板流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计等，其中在高精度实验室中采用最多是电磁流量计、超声波流量计和文丘里流量计，虽然它们初期投入使用正常，但随着时间的推移，如何保证测试准确度，对实验室维护人员提出了较高的要求。目前各公司已经开发出了相当一部分液体体积微小流量仪表，其可测最小流量在 10 ml/min数量级，例如，伺服容积式流量计为8 ml/min，浮子流量计用2 mm球形浮子可测16 ml/min，径3 mm 的电磁流量计可测 50 ml/min，小型容积式流量计可测最小流量为250 ml/min。

目前，液体微小流量计量以国外进口仪表为主，国产相关仪表较少。切向涡轮流量传感器具有精度高、重复性好、响应速度快、压力损失小、信号便于远传、即使出现故障也不会阻塞管路等优点，被广泛应用于液体微小流量测量。国产切向涡轮存在可测最小流量偏高、量程比较小的问题。为了提高切向涡轮流量传感器的性能，需要进行广泛、深入的理论和实验研究。

基于此本文设计了切向涡轮流量计，并改进了传统的液体流量测量装置，使测量的精度得以有效提高，并使测量过程简单有效。

1.2.3微小流量标准装置研究现状

本文所论述的微小流量装置设计的基础理论，主要是基于流体力学伯努利方程的液体出流理论，这方面的基础理论和试验研究可参见文献。

现有的微小流量测量装置，主要依据液体流量标准装置的工作原理而设计。通常，液体流量标准装置是流量仪表标定时使用的标准设备，对于微小流量测量，它的测量精度高，投资较小。

液体流量标准装置是液体流量计量和测试技术发展的重要环节，国际上成立了标准化组织和法制计量组织，各国制定了相应的国家标准。为维持定常流条件，现有液体流量标准装置一般均为恒定水头的定常流测量方法，需提供稳压源，通常有三种方法:高位槽溢流的溢流稳压法、通过压缩气体闭环调节液面的容器稳压法和变频器加液泵构成的变频调速稳压法。

对于工程实践中涉及的微小流量和类似微小流量的测量问题(如不规则加工件配合缝隙、微小流体器件流量测量和微小管径的测量等)，为使测量结果具有可比性，均规定被测试件前后压差为一恒值，如果被测试件的过流断面面积等参数不变，则被测试件即处于定常流场中。上述测量过程中，通常采用液体流量标准装置的设计原理来设计微小流量测量装置，对于这种流量测量装置，传统做法是采用由稳压源(如高位水箱、水塔)、量杯(计量容器)、换向器和计时器等构成的静、动态体积法，或由电子秤(称量设备)、换向器和计时器等构成的静、动态质量法进行测量。

有理由相信，上世纪兴起的半导体技术、激光技术和计算机技术等新技术和PIV、PAD等新的仪器设备的应用，将为微小流量的测量研究提供强有力的手段，计算机辅助设计(CAD)、数字仿真 (numerical simulation technique)和流动可视化 (flow visualization)等技术在微小流量测量装置设计方面的应用，将大大增强微小流量测量装置的设计水平。

1.3流量标定装置发展趋势

近年来，随着新技术、新方法的不断出现，流量标定装置发展出现了多样化的趋势，主要表现为以下两大趋势：

(1)不断提高流量标定装置的精度

高精度的流量标定装置通常采用静态质量法，研究的重点集中在减少称重系统的误差上。并考虑可能影响称重部分不确定度的外界因素。

(2)新的测量方法和测量手段出现

利用计算机网络技术，PTB对相距约300 km的 pigsar 实现了远程检定[351。随着新型流量计的不断出现，标准表法流量标准装置研究重新得到重视，匈牙利FLOMET公司以科里奥利质量流量计作为标准表，获得了优于0．01％的重复性。巴西建造了一套用三台涡轮流量计作标准表的水流量标准装置。

1.4 涡轮转速信号采集研究发展趋势

随着涡轮的性能不断提高，需要控制的参数，需要控制的参数越来越多，要求的控制算法越来越复杂，传统的机械液压式控制系统日益不能满足需要，并且它还有许多自身难以克服的缺点。例如，控制围窄、精度不高、可更改性差、结构复杂、体积和重量较大等。涡轮数字电子控制系统步进能够克服这些不足还能够充分发挥涡轮的潜力以及提供许多新的功能。所以现在涡轮控制系统的发展趋势是全权限数字电子控制系统。

输入信号的采集是控制系统实现其控制功能的重要环节。在上述所提到控制系统中，电子控制器通过传感器、计数器或外部开关来采集涡轮的状态信号和动作指令，这些信号需要经过信号调理后，转换成统一的能被电子控制器接口设备所能识别的信号。

涡轮转速是一个非常重要的被控量，涡轮控制系统最基本的功能就是通过燃油流量来控制涡轮的转速。同时转速也是评价涡轮性能的一个重要参数，因此转速信号的采集就显得非常重要了。

1.5本课题研究的主要容、技术路线及需解决的技术关键

1.5.1研究的指导思想

1、继承和发展原则。定常流测量方法是流量精确测量时普遍采用的方法而对于涡轮的转速，传统的机械液压式控制系统也曾经广泛应用，两者其中的很多优点必须要继承，没有继承就没有发展。通过对现有成果的总结和完善，找出其存在的问题，提出比原方法更加简单方便的测量方法和信号采集方法。

2、实用性原则。本文研究的出发点是解决微小流量定常流测量以及对涡轮转速信号的采集的完善与改进，提供理论和实践的指导。

1.5.2主要研究容、技术关键与难点

主要研究容:

涡轮流量计、齿轮流量计都是容积式流量计。被测介质的压头推动齿轮或叶轮旋转时，速度传感器记录单位时间经过齿数或叶片数此过程中产生的正弦波通过信号调理电路转换为方波后输给微电脑，便可换算出流量。它们可用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量。小量程液体流量计的标定，需用数字电子天平，测出单位时间流经仪表的液体重量，换算出质量流量和体积流量。

本课题要求:设计测量涡轮转速传感器信号的转换电路,控制涡轮转速的步进电机安装。对比分析小量程流量计的测量精度，设计适合小量程液体流量计的标定装置，分析测量的不确定度。

测量涡轮转速传感器信号转换电路设计主要容：

2 利用Proteus 7 Professional软件绘制仿真电路设计并进行仿真

3 利用Altium Designer 6软件绘制PCB图

控制涡轮转速的步进电机的安装：

4 并口卡相关控制软件Mach3的安装及操作

5 并口卡、步进电机控制器、步进电机的接线

小量程流量计及标定试验器设计主要容：

1）小量程流量计的设计；

2）流量检测及标定装置设计；

4）试验误差分析及优化试验。

需解决的技术关键和难点：

6 测量涡轮转速传感器信号的转换电路的绘制

7 并口卡、步进电机、步进电机控制器相关线路的连接及软件控制