流量计毕业论文 - 图文

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

学 院专 业班 级学 号姓 名指导教师负责教师

航空航天工程学部 飞行器动力工程 04040102 2010040401053

孔祥宇 彭大维 彭大维

沈阳航空航天大学

2014年6月

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

摘 要

随着流体系统向微小化方向的发展，对微小流量进行精确测量的需求变得越来越多。本文提出了小量程流量计、标定试验器及传感器后调理电路的设计，使其具有测量精度高、使用方便、适应性强、数字信号输出并转换为易于识别的方波等优点。文章主要研究设计了切向涡轮流量计以及对切向流量计中传感器后的调理电路进行了仿真设计和PCB设计，同时对调节涡轮转速的步进电机的安装操作进行了详细的介绍。并根据测量微小流量的原理及其实现方法，改进测量系统。测量系统在液体流量标准装置的基础上，改进了稳压装置，采用稳压溢流堰的方法，设计了新的液体称重容器--双套量杯称重容器，选用了测量精度更高的电子天平，取代了常用杠杆式天平，使测量更简单、准确。根据微小流量测量的特点，本文选择动态质量法原理进行流量标定，它简化了测量过程，降低了成本，提高了测量精度，证明对它的设计是可行的。 关键词：切向涡轮流量计；液体流量标准装置；动态质量法；流量标定;信号调理电

路；步进电机调控；PCB电路板印刷

1

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

Turbine flowmeter calibration device and measurement circuit

design

Abstract

With the development of the fluid system to the direction of miniaturization, the demand for accurate measurement of small flow becomes more and more. This paper presents the design of a small range of flow meter . the calibration test and the design of the sensor conditioning, it has high accuracy, easy to use, adaptable, and converted to a digital signal output of the advantages of easy identification square wave . The article is mainly designed tangential turbine flow-meter, As well as the design of the cutting simulation and PCB design after the flowmeter sensor conditioning circuits .while adjusting the speed of the turbine installation stepper motor for a detailed description.and in accordance with the principle and implementation method for measuring small flows, improved measurement system. Measurement system on the basis of the liquid flow standard device to improve the regulator device, using the method of regulator overflow weir; Designed a new liquid weighing container - double sets of measuring cups weighing the container; The selection of a higher measurement accuracy electronic balance, replacing the commonly used leveraged balance, the measurement is more simple and accurate. According to the characteristics of micro flow measurement, this article selection of the dynamic quality of the principle of flow calibration which simplifies the measurement process, reduces cost and improves the measurement accuracy, to prove that its design is feasible.

Keywords: Tangential turbine flow-meter; Liquid flow standard device; Dynamic Quality

Act; Flow calibration ;Signal condition circuit;Stepper motor regulation;PCB printed circuit board

2

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

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 本课题研究的主要内容、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 主要研究内容、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

3

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

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

4

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

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，流量范围为几百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，流量范围为几ml/min至几百ml/min内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，流量范围为1 ml/min、甚至几ml/min内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。而对于本文研究范围为几ml/min至几百

5

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

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，国内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，内径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。

6

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

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，控制范围窄、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。

7

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

1.5本课题研究的主要内容、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主要研究内容、技术关键与难点

主要研究内容:

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内容：

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内容： 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

8

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

3）试验系统的稳压；

4）改进试验装置，减小流体测量过程中动态冲量对试验引起的误差； 5）流量计的标定；

6）试验误差及不确定度的分析。

对测量涡轮转速传感器信号的转换电路的绘制需要经过电路仿真和PCB设计，涡轮驱动电动机控制装置包含并口卡、步进电机、步进电机控制器的连线以及软件控制。根据试验中产生的误差因素，可从几个方面对实验进行优化与改进。如减小或者消除测量过程中冲量所引起的动态误差，进一步提高小流量的稳定流动，规范安装过程和操作过程以减少人为因素等。

9

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

8 涡轮流量计的选择及设计

基于本试验装置主要适用于液体流量的测量，并考虑到受液体粘度等的影响较小等因素，本课题选用涡轮流量计。涡轮流量计:利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度来测量流体流量的流量计。与流量成正比的叶轮转速通常由安装在管道外的检出装置检出。涡轮流量计由涡轮流量传感器和显示仪表组成。

8.1 涡轮流量计概述

涡轮流量计是一种速度式流量仪表，它利用置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成比例的关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量的大小，是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表。涡轮流量计由涡轮流量传感器和流量显示仪表组成，可实现瞬时流量和累积流量的计量。传感器输出与流量成正比的脉冲频率信号，该信号通过传输线路可以远距离传送给显示仪表，便于进行流量的显示。此外，传感器输出的脉冲信号可以单独与计算机配套使用，由计算机代替流量显示仪表实现密度、温度或压力补偿，显示质量流量或气体的体积流量。涡轮流量计因其精度高、重复性好、量程范围宽、体积小、输出脉冲信号等优点，而广泛应用于天然气计量、油品精确计量、工业生产过程监控、测量等领域。

8.1.1 涡轮流量计发展概况

美国早在1886年即发布过第一个TUF（涡轮流量计）专利，1914年的专利认为TUF的流量与频率有关。美国的第一台是在1938年开发的，它用于飞机上燃油的流量测量，只是直至二战后因喷气发动机和液体喷气燃料急需一种高精度、快速响应的流量计才使它获得真正的工业应用。涡轮流量计是测量仪表门类中的一个重要的产品系列，若用于洁净的低粘度液体流量测量时，在相当宽的流量范围内，其测量精确度高，重复性好，这是它最为突出的优点。另外，它还具有体积小、重量轻、易于做到耐高压及数字脉冲输出等特点，因而不仅可做监控测量仪表，而且更重要的是，由它组成的流量测量系统可达国际商业贸易允许的计量误差要求。

涡轮流量计的主要部分涡轮流量传感器有如下几种类型：

1．轴向型（普通型），叶轮轴中心与管道轴线重合，是涡轮流量传感器的主要产品。有全系列产品（DN10—DN600）。 2．切向型，叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约 90 度，适用于小口径微流量测量，在大口径流量测量时也用到了插入式的切向型涡轮流量计。 3．机械型，叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构，指示积算总量，测量精度比电信号检测的传感器稍低，其传感器与显示装置是一体式的。

4．井下专用型，适用于石油开采井下作业使用，测量介质有泥浆及油气流等，

10

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

传感器体积受限制，需耐高压、高温及流体冲击等。

5．自校正双涡轮型，可用于天然气等气体流量测量，传感器由主、辅双叶轮组成，可由两叶轮的转速差自动校正流量特性的变化。

6．广粘度型，在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径，增加粘度补偿翼及承压叶片等结构措施，使传感器适用于高粘度液体（如重油，粘度达30mm2/s）。 7．插入型，插入型流量传感器由测量头、插入杆、插入机构、转换器及仪表等部分组成。

总之，涡轮流量传感器按结构可分为轴向式涡轮流量传感器和切向式涡轮流量传感器两种。轴向式涡轮流量传感器目前应用较为广泛，而切向式涡轮流量传感器应用较少。但切向式涡轮流量传感器自身的一些特点是轴向式涡轮流量传感器所不具备的，例如：测量下限更低，测量灵敏度更高，动态响应速度更快。

8.1.2 涡轮流量计的特点

涡轮流量计多年来用于工业和实验室测量，并一直得到广泛的应用，其具有如下主要特点：

1．测量精度高。涡轮流量计的测量精度是指示值的 0.05%--0.2%之间，在线性范围内，即使流量发生变化，累计流量准确度也不会发生变化。

2．压力损失较小。在最大流量下其压力损失为 0.01--0.1 MPa。

3．流量测量范围宽。最大和最小流量比通常为 10:1 到 20:1，故相对适用于流量大幅度变化的场合。

4．重复性好。短期重复性可达 0.05%--0.2%。由于良好的重复性，经过校准或在线校准即可得到很高的精度。

5．耐高压、耐腐蚀。由于具有较简单的外形且采用磁电感应结构，容易实现耐高压设计，故可适用于高压管路液体的测量；采用抗腐蚀材料制造，使得流量计耐腐蚀性能良好。

6．可获得很高的频率信号(3--4 kHz)，信号分辨能力强。通过传输线路不会降低其精度，容易进行累积显示，易于送入计算机进行数据处理，无零点漂移，抗干扰能力强。

7．结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。

8．专业性传感器类型多。可根据用户特殊需要设计为各种专用型传感器，例如低温型、双向型、井下型及混沙专用型等。

9．一般液体涡轮流量计不适用于测量较高粘度介质(高粘度型除外)，这是因为随

着粘度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。

11

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

10．流体的物理性质对仪表的特性有较大影响。气体流量计易受密度影响，而液体量计对粘度变化反应敏感。

8.2 切向式涡轮流量计

切向涡轮流量计是一种速度式流量仪表，它以动量守恒原理为基础。流体冲击叶轮，使叶轮旋转，叶轮的旋转速度随流量的变化而变化，根据叶轮转速求出流量值。在工业上，可采用涡轮流量计测量粘度较低的各种液体和气体的流量。这种流量计具有测量精度高、量程范围宽、线性好、脉冲输出等优点。

切向涡轮流量计由涡轮流量传感器和接收电脉冲信号的显示仪表组成。通过信号检测放大器将叶轮的转速转换成电脉冲，送入二次仪表进行计数和显示，实现对瞬时流量和累积流量的计量。

不同厂家的切向涡轮流量传感器，其整体结构差异较大，目前国内外主要有三种，如下图 2-1 所示。

图2-1 切向涡轮式流量传感器结构图

1．单流束水平流动结构，如图 2-1(a)所示。

传感器的流体入口和出口在同一轴线上。流体经过一个喷嘴，冲击叶轮上部的叶片表面，推动叶轮旋转。流体经过另外一个与入口喷嘴在同一轴线上反向安装的喷嘴

12

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

流出传感器。

2．单流束环形流动结构，如图 2-1(b)、(c)所示。

传感器流体入口和出口轴线平行或成一定的角度。流体经过一个喷嘴，冲击叶轮侧面的叶片表面，推动叶轮旋转；随叶轮旋转，流体在传感器腔内做环形流动，进一步推动叶轮旋转；在叶轮另一侧，流体经过另外一个与入口喷嘴轴线平行或成一定角度反向安装的喷嘴或管道，流出传感器。

3．预旋流切向流动结构，如图 2-1(d)所示。

流体首先经过一个螺杆 1，形成螺旋形流动，再推动叶轮 2 旋转。

在图2-1(a)所示单流束水平流动结构的切向涡轮流量传感器主要用于微流量测量。其结构主要由仪表壳体、涡轮（叶轮）、喷嘴、轴和轴承以及信号检测放大器等组成。

本文设计的切向涡轮流量计如下：

图 2-2 为传感器壳体结构图，图中左侧上图为壳体的俯视图，左侧下图为纵向切面图，右侧图则为壳体的透视图。壳体的各个几何参数图中均有标注。仪表壳体一般采用不导磁的不锈钢或铝合金制成，对于大口径传感器亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构。壳体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体内装有叶轮、轴、轴承，壳体外壁安装有信号检测放大器。

13

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图 2-2 传感器壳体结构图

图2-3是传感器的盖子，图中左侧上图为盖子的主视剖视图，左侧下图为盖子的俯视图，右侧则为盖子的左视图。它的各个几何参数都在图中已经注出。材质可选择与传感器的壳体相同。盖子的作用是固定轴，使叶轮绕轴转动，并且还起到防止其他外界因素干扰叶轮转动及防止漏油。

14

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图2-3是传感器的盖子

图 2-4 是传感器叶轮和轴的结构图。叶轮一般由高导磁性材料制成，是传感器的检测部件。它的作用是把流体动能转换成机械能。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率。叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动态平衡很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。

15

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图 2-4 是传感器叶轮和轴

轴与轴承通常选用不锈钢或硬质合金制作，它支承和保证叶轮自由旋转，需要有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性，耐腐性等，它决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。

我国目前一般采用变磁阻式信号检测放大器，它由永久磁钢、导磁棒（铁芯）、线圈等组成。它的作用是把涡轮的机械转动信号转换成电脉冲信号输出。信号检测放大器安装在涡轮叶片的正上方，流体流过时，冲击叶轮旋转。叶片处在永久磁钢的正下方时，磁路的磁阻最小；当两个叶片中间的间隙处在永久磁铁的正下方时，磁路的磁阻最大。叶轮在流体的冲击下旋转，不断地改变磁路的磁阻，使永久磁钢外的线圈中产生变化的感生电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号。脉冲信号的频率与管道中流体的流量成正比。

16

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

9 试验系统的建立与选择

本章介绍了微小流量定常流测量方法，根据微小流量测量的特点，分别设计了静态质量法、动态质量法并指出了定常流条件下微小流量测量存在的问题。

9.1 微小流量的定常流测量原理

如图3.1所示，测量容器的过流断面面积为A，被测试件的过流端面面积为a，测试段液体体积为V。试验时，测量容器中水头H保持为定值，以保证被测试件2处的压差为定值，故2处的流动为不随时间变化的定常流。为保证H为定值，则需测量容器上部一直处于溢流状态，也可以采用加恒值气压的方法保证2处的压差为定值，但需要恒值气源，设备复杂，成本高。根据流量的定义，测量在一定时间段t内流入计量容器(量杯)内的液体体积V或质量M即可得到体积流量：

Qv?V或质量流量：

?t （3.1）

Qm?M?t （3.2）

图3.1定常流流量测量原理图

1.测量容器 2.被测试件 3.计量容器(量杯)

9.2 静态质量法液体微小流量测量装置

对于流量的测量，静态质量法液体流量标准装置可以达到最高的精度，当需要高精确度的微小流量测量时，可以参照静态质量法液体流量标准装置的原理来设计微小流量测量装置。

静态质量法是指在静止状态下，称量一段时间内容器中的液体质量，从而计算出质量流量。静态质量法液体微小流量测量装置典型结构如图2.7所示，由稳压源、计量容器或称重装置、截止阀(或单向阀)、换向器、计时器和管路系统等组成。其工作原理为:先将水用水泵3打入置顶液箱6中，水注满后，液体由溢流堰5溢流，经过泄漏管8回水池1。为保证被试件处为定常流动，整个试验过程中置顶液箱6一直处于溢流

17

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

状态。试验开始时，打开截止阀(或顶开单向阀)9，换向器液流流入泄漏管巧方向，此时称重容器的质量为初始值M0，当流量稳定后，启动换向器，使得换向器液流流入称重容器13，同时计时器触发机构12触发计时器启动计时。当达到预定的液体重量时，换向器自动换向，使换向器液流流入泄漏管径的方向，并同时停止计时器，记录此时称重容器的质量M和计时器的测量时间T，则实际质量流量为

Qm?M?M0 （3.3）

TM?M0 （3.4）

?T由质量流量换算为体积流量时，可由下式计算

Qv?Qm??在微小流量测量时，为了不降低测量质量的电子秤的准确度，测量的时间T必须足够长，这使得测量效率降低;要得到被检流量计的体积流量，还须经过质量与体积的换算，这样又会引入密度测量的误差;由于称量的容器处于空气中，砝码密度和水的密度不同，受到的浮力不同，故存在浮力修正问题。

图2.7静态质量法液体微小流量测量装置

1.水池 2.进水管 3.水泵 4.上水管 5.溢流堰 6.置顶液箱 7.测量容器 8、15、16.泄漏管 9.截止阀(或单向阀) 10.被试工件 11.换向器 12.计时器触发机构 13.称重容器 14.电子秤

17.放水阀

9.3 动态质量法液体微小流量测量装置

动态质量法是指在液体流入到称量容器的流动过程中，称量一段时间内容器中的液体质量的增量，从而计算出流量。如图2.8为采用杠杆触发结构的动态质量法测量装置。

18

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

但是采用该装置，在测量过程中将产生不可避免的流体下落时产生的冲量问题，这会对试验的测量精度产生较大误差，因此如何改进称重容器，是提高测量精度的关键问题。

方案一 采用带档板的称重容器

图4-5称重容器

1-爬梯 2-称重容器 3-电子天平

如图所示，当液体流入称重容器时，流体首先落在了档板上，抵消了一部分冲量，如此往复可以有效降低液体流入容器时的速度，到进入称重容器的液面时，速度基本将为0。虽然该装置有效降低了液体下落时带来的冲量问题，但是，在容器液面较低时，仍然会有一定的影响。

方案二 采用双套称重容器

图4-6称重容器

1-水头 2-小量杯 3-吸附性海绵 4-称重容器

24

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

如图所示，此方案是采用两个容器，将小量杯固定在大量杯内，再在小量杯外侧固定海绵或者细丝密实网状结构（根据测量液体的粘性选择）。本试验测量的是液态水，因此在小量杯外侧固定上厚度为2 cm的吸附性海绵。试验过程中，保持水头在小量杯的上方且固定不动，并且小量杯内液体始终是满的。该过程可使液体流入称重容器所产生的冲量始终保持不变，对测量结果基本不产生影响；同时，对于标准液体称重系统中存在的多收集了一段水柱的问题，应用该装置，测量前后都是同样多收集了一段，可以抵消不计，对试验测量误差影响较小。最后是，当液体从小量杯溢流流入大量杯时，因为外侧有吸附性海绵，可以降低流速，使流速基本接近于0，对试验基本没有影响。

综上所诉，本实验选取方案二称重系统，该方案有效降低了传统模式下的两个误差问题，能有效提高小量程流量计的测量精度，对试验有较大的提高。

13.2.3 称重装置的改进

传统的称重装置都是天平式的称重容器，如图

图4-7 称重装置

1-称重容器 2-平衡梁(杠杆) 3-计时器启停触动机构 4-砝码

该装置采用杠杆触发结构的动态质量法测量，虽然该装置测量简单，且计时也相对准确，但是在测量过程中存在两方面的误差：

1、在测量过程中，添加砝码需要人工操作，会有一定的人工延迟误差，造成计时偏大，测量结果偏小；

2、动态测量过程中，由于存在动态效应，射流冲击力对称量结果造成影响，受杠杆系统惯性滞后影响，引起系统误差。

25

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

改进方法为改平衡梁式天平为电子天平。采用最大量程为2000g精度为0.01g的电子天平（J B 2102电子天平），其优点是不需要人工添加砝码，及没有砝码所带来的准确性方面的误差；二是测量过程中，虽然有动态冲量的存在，但是系统滞后性及稳定性所带来的误差较小；三是操作更简单方便，测量及计时可通过连接电脑操作控制，使测量精度更高。

26

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

14 流量计标定技术

14.1 流量标定技术分类

按要求将被检流量计安装到装置上，启动液体循环系统，使液体流经被检流量计和流量工作标准，同步操作被检流量计和流量工作标准，比较两者的输出流量值，从而确定被检流量计的计量准确度和重复性。按流量工作标准的取值方式，装置可分为四种类型：

静态质量法(含启停质量法):在静止状态下，称量一段时间内容器中的液体质量，从而计算出流量。

静态容积法(含启停容积法):在静止状态下，测量一段时间内工作量器中的液体体积量，从而计算出流量。

动态质量法:在液体流动过程中，称量一段时间内容器中的液体质量变量，从而计算出流量。

动态容积法:在液体流动过程中，测量一段时间内工作量器中的液体体积变量，从而计算出流量。

14.2 切向涡轮流量计的标定

由于静态法必须等待容器中的液体静止后才能测量, 另外容器中不能存在残留液体, 所以效率低。动态标定法是在液体流动情况下进行质量或容积测量；一般先把容积或质量固定, 只测量时间, 操作简便, 效率高。下图为一种动态质量法标定系统, 可在连续运行状态下对流量计进行标定。

27

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图5-1 动态质量法测量装置

1-液体源 2-水泵 3-试验管路 4-稳压溢流堰 5-截止阀 6-被测流量计 7-称重容器 8-电子天平

其工作过程为: 打开5截止阀，然后开启2水泵，使测量液体在3试验管路中流动循环起来，并开始流入7称重容器。在这过程中，液体首先流入4稳压溢流堰，待液体高出挡板后经过管路又循环回流到了1液体源里；然后液体经过6被测流量计后流入了7称重容器，测量时要保持液体盛满称重容器里的小量杯，并且溢流将外侧的吸附性海绵完全渗透使大量杯里有一定量的液体；此时开始记录8电子天平此时的读数M并立刻开始计时；当测量一定的时间t后（称重容器里的液面不能将吸附性海绵完全淹没），即使记录8电子天平的读数m，并关闭5截止阀和2水泵。由测量的时间t和称重质量（M-m）则可求出质量流量。

Qm?M?mt （5.1）

当被测流体通过切向涡轮流量传感器时，流体通过喷嘴冲击叶片，流体的冲击力对涡轮产生转动力矩，使叶轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动。实践表明，在一定的流量范围内，对于一定的流体介质粘度，叶轮的旋转角速度与通过传感器腔体的流量成正比。所以，可以通过传感器测量叶轮的旋速度，然后传输到示波器上，记录下通过的完整波形的个数来测量流量。

测量前先对示波器进行设置，使其在叶轮转动一周时，刚好记录一个完整的正弦波形。当测量流体通过叶轮时，驱动叶轮转动，并引起电磁传感器跟踪记录，并将测量的信号传输到连接的示波器上。调节示波器，使其接收的波形大小合适，频率稳定，此时开始记录，采集在时间t内，示波器接收的完整波形数。输出波形数与叶轮转速相等，叶轮转速又与流量正相关，所以输出波形数与流过传感器的流量正相关。

切向涡轮流量传感器的波形频率 f（次/秒）与流过管道的体积流量 qv(m3s）

28

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

正相关时，其比例系数即为传感器的仪表系数 K（1m3 ），如式（7）所示：

K?f （5.2） qv即

qv?f （5.3） K在同一时间内，传感器的脉冲数 N 与流过管道的液体体积 V（m3）也成正相关，其比例系统也为传感器的仪表系数 K（1m3），如式（9）所示：

K?N （5.4） V

图5-2切向涡轮流量传感器的工作原理

1－喷嘴；2－涡轮；3－电感

29

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

6 转速传感器所连接电路及步进电机调控装置

6.1传感器后信号调理电路设计

6.1.1转速传感器所连接电路

随着转速的变化，转速传感器输出频率信号的幅值和频率也在变化。针对本文所研究的，其转速传感器输出信号的幅值在几百毫伏到几伏之间，频率在100Hz到10KHz之间，并且为一个近似正弦信号。无论从波形和幅值上来讲该信号都无法直接送入电子控制器，需要经过信号调理电路转换为0 到3V的方波信号才能被DSP所接受。

图6—1 转速传感器信号调理电路原理图

如图6—1为采用Altium Designer 6 软件绘制的信号调理电路原理图，Altium Designer 6是Protel 的最新版本，是一款专门用于电路板级设计的软件，它能完成电路的原理图设计与PCB板的绘制。在此之前要进行对该电路的仿真，则采用Proteus 7 Professional 进行电路仿真，这是一款广泛用于仿真的软件。信号调理电路设计的前提是：转速传感器输出信号的幅值在0.2V到5V之间，频率在100Hz到10KHz之间。信号调理的功能为将转速传感器信号转换为同频率的0到3V的标准方波信号，其原理为：首先，由电阻和电容构成低通滤波器，滤除频率高于10KHz的高频干扰信号；然后，由于输入信号的幅值很小时无法使限幅电路中的二级管导通，所以需要先经过一个放大5倍的反向放大器进行放大，再经过两个反向并联的二极管限制电路把信号的幅值限制在+0.5V的范围，这样保证了后续电压放大的一致性；接着采用AD620放大器将信号放大3倍，并且将电压幅值抬升1.5V。根据公式（1）选择Rg的大小，确定AD620的放大倍数G;AD620的5引脚接参考电压，此时AD620的输出根据公式（2）确定。至此，已经得到的0到3V左右的正弦波信号，最后由CD4093史密特触发器可以将其转换为0到3V的方波信号，CD4093的电源电压为3V。

49.4k?G??1 (6.1)Rg Vout?Vin?G?V5 (6.2)

30

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

为了验证所设计的信号调理电路的功能，在Proteus 7 Professional中进行了原理图仿真分析，采用正弦电源模拟转速传感器的输出信号，分别将该信号设置为幅值0.2V频率100Hz和幅值5V频率10KHz的正弦波，在图6—1电路中设置了5个探测点， V0为传感器信号，V1 为经过滤波后的信号， V2为经过放大和限幅的信号， V3为经过放大和幅值抬升的信号， V4为总输出信号。图6—2和图6—3为转速传感器信号调理电路仿真结果。 由仿真结果看到，当地转速传感器输出信号的幅值在0.2V到5V之间，频率在100Hz到10KHz之间时，信号调理电路总能将其转换为同频率的0到3V的标准方波信号。

图6—2输入正弦波幅值0.2V频率100Hz的仿真结果

31

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图6—3输入正弦波幅值5V频率10KHz的仿真结果

6.1.2转速传感器所连电路的软件绘制

（1）利用Proteus 7 Professional软件绘制的仿真电路图，如图6—4 以及图6—5：

图6—4 Proteus 7 Professional软件绘制的仿真电路图

图6—5 Proteus 7 Professional软件绘制的仿真电路调通后图

32

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

如图6—4左侧仿真示波器A口接于输入端，A口检验波为黄色。可见图6—5左侧对应图6—4左侧仿真示波器检测出正弦波，所以证明输入为正弦波。图6—4右侧所示仿真示波器与图6—5右侧对应，图6—4右侧仿真示波器A、B、C、D接口依次从左至右接在如图6—4所示位置，其波形颜色依次为黄、蓝、紫、绿，在图6—5右侧可见波形从正弦波经过调理电路逐渐变为方波。

（2）利用Altium Designer 6软件绘制的PCB图，如图6—6：

图6—6 Altium Designer 6软件绘制的PCB图

涡轮转动通过电感感知出的正弦波由左侧J2输入，经过传感器信号调理电路的处理，最终得到的方波由右侧J1输出。输出后的方波连接到电脑即可识别，并且能够根据脉冲数来判断流量。

6.2步进电机调控装置

涡轮的转动需要步进电机提供其转动所需动力，本套装置中包含三个部分，分别为；并口卡.电动机以及HYQD—100两相混合式步进电机驱动器。

33

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

6.2.1并口卡

图6—7 并口卡实物图

（一）板上接口介绍（1）25针并口接头 （2）手控器接头（3）维宏卡接头（4）限位开关及其他输入接头（5）5路步进电机输出接头（6）主轴继电器输出接头（7）5V电源接头（绿色的接线端子和耳机式接头）（8）USB电源接头

（二）详细接线介绍：

1.步进电机输出接口可以采用共阴或共阳接法，配合我们的步进电机驱动器，接线方法可以参照我们的步进电机驱动器接线方法（5路相同）：

（1）共阳极接法：分别将CP+，U/D+,EN+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕8到15mA的驱动电流。脉冲输入信号通过cp—接入；此时，U/D—，EN—在低电平有效。

（2）共阴极接法：分别将CP—，U/D—，EN—连接到控制系统的地端（SGND，与电源地隔离）；+5V的脉冲输入信号通过CP+加入；此时，U/D+，EN+在高电平有效。限流电阻R的接法取值与共阳极接法相同。

注：EN端可不接，EN有效时电机转子处于自由状态（脱机状态），这时可以手动转动电机转轴，做适合您的调节。手动调节完成后，再将EN设为无效状态，以继续自动控制。

2五路输入端接法：

34

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

用户可外接限位开关，急停信号等！

用户需外接电源，将开关接在电源地与输入点之间，开关按下或限位开关触发，将输入信号与地导通，内部触发接收到的输入信号，并通过并口传至电脑。

3电源接法

不带DC—DC隔离的接法（不焊接DC—DC模块，可便宜DC—DC隔离模块的价格），需分两路供电，一路是外部接口供电（耳机接头或绿色的接线端子）；一路是为和并口相连的电路部分供电，建议采用电脑USB口供电，以保证安全！

4关于MACH软件的设置

安装好之后，打开图标，根据版本不同或许图标有些差异，但

图标名称应该是Mach3mill.然后进入界面，并开始进行设置!

图6—8 界面

35

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图6—9 端口设计

图6—10 端口选择及频率设定

36

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图6—11 电机输出设定，一般雕刻机4 5轴不用，所以不用打开，如有需要可以

选择打开！

37

涡轮流量计标定装置及测量电路设计

图6—12 输入设置，主要设置限位开关，急停等！

图6—13 输出设定

图6—13表示输出设定，设定使能所有电机使能接在一起，使能一般用的少，接这个要注意自己的驱动器低电平使能还是高电平使能！不同的使能电平对应设置不同低电平使能时

应该勾选，反之不够选！

38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1du6.html