摘 要：文章提出了差压流量测量系统方案，重点介绍了差压式流量测量系统的各个组成部分，对将流量Q转换为与之成线形关系的数字输出也进行了详细的公式推导。该系统结构简单，对测量出流体的流量有着方便、可靠性高、测量精度准确的特点，可广泛应用于多种领域的流量测量。

    关键词：节流式流量计；电容式差压传感器；变压器电桥；AD736；开方器；MC14433；LED

中图法分类号：TEl51 文献标识码：B 文章编号：1004-9134（2005）02—0053-03

0 引 言
    流量测量在环保工程、交通运输、生物技术、科研实验、海洋气象、江河湖泊等方面有着重要的用途。因为流量是动态量，其流量测量的难度较大，特别是在现场工作条件恶劣情况下，不仅影响其可靠性，也难以保证准确度。基于上述因素，本文提出了一个差压式流量测量系统方案。差压式流量测量系统通过将流量转化为压差的方法，在很大程度上减小了上述不利因素条件的影响⋯1。另外，在进行液体、水蒸气、气体等流量的测量时，人们采用过多种类型的流量计，其中节流机构的差压流量计应用最多^[2.3].这是因为它结构简单，而且有丰富的数据和实际使用经验。因此，节流装置作为过程检测仪表，其可信度比任何其它仪表都受人们的重视。
1 系统组成及工作流程
    差压式流量测量系统的组成及工作流程简化框图如图1所示。被测对象是流体的流量p，流量经节流式流量计产生静压差，其大小与流体流量有关，再经过电容式差压传感器和变压器电桥转化为电压输出。有效值AC/DC转换器和平方器对其进行信号调理，最后通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，并通过LED显示出来。

2 节流式流量计
2．1 节流式流量计的基本原理
    节流式流量计的工作原理如图2所示。当流体通过设置在管道中的节流件时，造成流束局部收缩，其流速提高，压力减小，在节流件前后产生压差，此差压值与该流量的平方成正比。在差压式流量计中，因标准孔板节流装置差压流量计结构简单、制造成本低、研究最充分、已标准化而得到最广泛的应用。
    根据图2可以看出，装在管道中的孔板是一片带有圆孔的薄板。孔的中心位于管子的中心线上。假定流体是不可压缩的，其粘性可以忽略不计，而且是稳流的，那么，对于通过截面1和截面2的流体可由伯努利方程和连续方程来表示：

式（1）、（2）中，υ₁、υ₂为截面1、截面2处的平均流速；P1、P2为截面1、截面2处的压力；A1、A2为截面1、截面2的横截面积；ρ为流体密度。
    ρ₁ρ_{2一般称为静压，称为动压。从式（1）和式（2）可求出流体体积流量Q：}

    式（3）是在理想情况下推导出来的，在实际应用中必须加上各种修正。从图2可以看出，流体通过节流机构以后，截面缩小了，由于流体存在惯性，所以缩小了的流束的最小横截面A2应该是在距节流机构稍微往下远一点的地方，即A2应比节流机构的开口面积A0要小，这个现象叫做缩流。又由于流体存在粘性的影响，因此，必须对实用的节流机构在实际测定时加修正系数口。同时，考虑到流体的可压缩性，也必须对式
（3）进行可压缩性修正，由此，式（3）可表示为：

    由式（5）可知，压差与流量的平方成正比。
    2．2 节流装置选型    
    孔板一般用于测量干净的液体、气体和低速蒸汽，对于高速（30 m/s）的蒸汽流的流量测量多选用喷嘴，而脏污流的流量测量可用文丘管。
    3 电容式差压传感器
    常用的电容式差压传感器，如图3所示^[4] 当被测差压作用在两侧隔离膜片上时，差压通过硅油传递到定极板，使其产生挠曲变形，引起电容差动地改变。据推导，电容式差压传感器两个差动电容C₁和C₂与差压（p₁、P₂）的关系为：

    式（6）中，口为动极板的工作半径；T为动极板的初始张力；d₀为定、动极板的初始距离。
    4 变压器电桥
    变压器电桥如图4所示，为恒流源^[5]COM为模拟地。

    由式（5）及式（6）可得变压器电桥输出交流电压为：

5 有效值AC/DC转换器
    系统选用有效值AC/DC转换器AD736^[6]。其主要特点是：准确度高，灵敏性好，测量速率快。AD736采用双列直插式8脚封装，其管脚排列及AD736在双电源供电时的高阻抗应用电路如图5所示，2脚U_IN为交流输入，6脚U_o为直流输出。它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值的运算。其大小将直接影响到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选+33μ F。

6 开方器
    开放器的实现是通过正平方根运算电路，正平方根运算电路如图6所示。由图7可得：

（K，为模拟乘法器的比例系数） （12）
    若选用集成四象限模拟乘法器MC1495，则比例系数K₃通常取为O,1，使得
    由式（12）可得：

7 AID 转换器与LED显示
    用位双积分A/D转换器MC14433构成位数字电压表如图7所示。MC14433将输入模拟量转换成BCD代码有Q3一Q0输出，CD 451I将BCD码译成七端数码管的输入信号Y_a—Y_g，作为显示器的字形代码。字位代码由DS4一DS1输出经MC1413送到数码管的阴极，以决定哪位数码管发亮。极性符号也由Q2输出，当Q2为0时，极性为负。OR输出低电平

    时表示输入过载显示熄灭。MC1403提供标准参考电源所需的2V标准电压。计数结果：

3 结束语
    通过上述节流式流量计、电容式差压传感器、变压器电桥及进行有效值转化、开方、A/D转换，最后显示的计数结果即流体的流量，很直观的显示出流量数据。
参考文献
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    [4] 张玉龙，等编译．传感器电路设计手册IS]．北京：中国计量出版社，1989
    [5] 沙占友．新编实用数字化测量技术[M]．北京：国防工业出版社，1998
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