王宗亮，徐杭田，楊占錄

（海軍潛艇學(xué)院 動力系，青島 266042）

以孔板、噴嘴和文丘利管為代表的差壓式流量計以其結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、價格低廉等優(yōu)點，曾經(jīng)在工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用。然而由于其自身結(jié)構(gòu)存在一些重大缺點：如流出系數(shù)不穩(wěn)定、線性差、易積污、壓損較大、量程比小、要求的直管過長等，因此難以在精度要求較高的場合得到應(yīng)用。

V型內(nèi)錐式流量計的出現(xiàn)成功地解決了傳統(tǒng)流量計存在的諸多缺陷。它的特點來源于它特殊的設(shè)計結(jié)構(gòu)——錐體位于管道中心處，如圖1所示。

錐體改良流體的流速分布輪廓使流體加速流動，從而在錐體尾部產(chǎn)生低壓。V型內(nèi)錐通過位于管壁的高壓取壓孔和錐體尾部的低壓取壓孔來得出差壓值；根據(jù)伯努利方程式，依據(jù)差壓值得出流體的流量。錐體位于管道中心處能夠有效改良測量點的流速，保證較高的精度，這樣即便上游條件很苛刻也能保證測量的準(zhǔn)確性。

圖1 內(nèi)錐式節(jié)流裝置Fig.1 Throttle equipment of cone type

1 流量的計算

V型內(nèi)錐流量計屬于差壓式流量計，其原理是基于封閉管道中能量相互轉(zhuǎn)化的伯努利原理。在穩(wěn)定流的情況下，管道中的差壓與流量的平方成正比。根據(jù)伯努利方程和流動連續(xù)性原理可得出普遍適用的實際流量公式：

式中：qv為流體的體積流量，單位m3/s；d為工況下節(jié)流件的等效開孔直徑，單位m；ΔP為差壓，單位Pa；ρ1為工況下節(jié)流件上游處流體的密度，單位kg/m3；C 為流出系數(shù)（實際流量/理論流量），無量綱；ε為被測介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)，對于液體ε=1；對氣體、蒸汽等可壓縮流體ε＜1；β為直徑比，無量綱。

對于V型內(nèi)錐式節(jié)流裝置，在進行工況下實際流量的計算時，公式中的節(jié)流裝置內(nèi)徑d和系數(shù)β應(yīng)采用等效的開孔直徑和等效的β值進行替換。流體流過V型內(nèi)錐式節(jié)流裝置的最小有效面積S為

式中：D為測量管的內(nèi)徑；dv為內(nèi)錐體的最大外徑，如圖1所示。

由此可知，式（1）中的 πd2應(yīng)用 π（D2-dv2）進行替代，β用下式進行替代：

從而可得出V型內(nèi)錐式氣體流量計工況下的實際流量方程為

2 硬件電路設(shè)計

裝置總體方案如圖2所示。

圖2 總體方案框圖Fig.2 Collectivity project frame chart

閥體按照V型內(nèi)錐流量計設(shè)計制作，流過閥體中的攪拌氣體在A處的壓力及在A、B處的壓差分別由壓力傳感器和壓差傳感器檢測，檢測信號送至Atmega16單片機進行測量、比較和計算，并利用溫度傳感器進行溫度補償；攪拌氣體的流量值由顯示電路進行顯示，并且當(dāng)攪拌氣體的流量值超過設(shè)定值時，由報警電路進行聲光報警。

2.1 壓力、壓差檢測電路設(shè)計

壓力傳感器和壓差傳感器分別選擇SMI5502-030-A型和SMI5552-003-D型，如圖3和圖4所示。SMI微壓傳感器芯片采用三維膜片結(jié)構(gòu)，用硅刻蝕工藝將產(chǎn)生的應(yīng)力（壓力）集中在傳感電阻處，這樣在保持總體精度和線性度的同時仍有很高的靈敏度。80%的應(yīng)力傳遞到膜片中的梁式區(qū)域，而膜片丟失的應(yīng)力只有20%。除了壓阻器所處的四周外，膜片的所有部分都減薄，從而得到膜片的浮凸結(jié)構(gòu)。由于傳感器看起來象機械力放大器，因而便于把膜片運動的應(yīng)力集中在壓阻器上，增加的應(yīng)力極大地提高了信號輸出，膜片上的浮凸用做終止層。四周的薄膜有效地將器件密封起來，因此壓力不會前后移動。此外，在器件的結(jié)構(gòu)內(nèi)，離子注入電阻形成壓阻式惠斯頓電橋，凹坑減少了器件的總震動質(zhì)量。

圖3 壓力測量電路Fig.3 Press measured circuit

圖4 壓差測量電路Fig.4 Press difference measured circuit

由于壓力傳感器和壓差傳感器產(chǎn)生的電壓信號比較弱，為保證被測參數(shù)的測量精度，需用放大器將小信號放大到與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配的電平，然后才可進行A/D轉(zhuǎn)換。為此，在放大電路中選用了AD620型的運算放大器。AD620是一款具有極低的失調(diào)電壓（最大50μV）和偏置電流的運算放大器，溫度漂移系數(shù)小于0.6μV/℃，只需一個外接電阻就可將增益在1～1000之間任意調(diào)整。而且，AD620體積小、功耗低的特點，使得它非常適用于電池供電的便攜式設(shè)備中[1]。

根據(jù)AD620的增益計算公式G=49.4 kΩ/RG+1，分別選擇5 kΩ和1 kΩ的電阻，可使壓力傳感器和壓差傳感器的電壓信號分別放大11倍和50倍，很好的滿足了A/D轉(zhuǎn)換器對輸入電壓的要求。

經(jīng)放大后的壓力和壓差信號都送至同一模擬量選擇開關(guān)MC4051B。MC4051B是一種精確的8路模擬量選擇開關(guān)，它的工作電壓為（3～18）V，其功耗非常低，僅有5μW，所以特別適合于電池供電的設(shè)備。其開關(guān)的速度快，僅為100 ns～150 ns。選擇開關(guān)對壓力和壓差信號的輸出切換由單片機采用定時中斷方式進行控制，輸出的壓力信號或壓差信號送到ICL7135進行AD轉(zhuǎn)換。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.5 A/D convert circuit

A/D轉(zhuǎn)換采用ICL7135高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片采用CMOS工藝制作的單片4 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器。在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動進行調(diào)零操作，在±2000字（2 V滿量程）范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換精度±1字，具有自動極性轉(zhuǎn)換功能；所有輸出端和TTL電路相容；有過量程（OR）和欠量程（UR）標(biāo)志信號輸出，可用作自動量程轉(zhuǎn)換的控制信號；輸出為動態(tài)掃描BCD碼；對外提供六個輸入、輸出控制信號（R/H，BUSY，STRB，POL，OVRNG，UNDRNG），因此能與異步接收/發(fā)送器、微處理器或其它控制電路連接使用。

2.3 微控制器選擇

裝置采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega16型AVR單片機。它是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，外觀如圖6所示。

圖6 ATmega16引腳Fig.6 Atmega16 pins

由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲），從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR單片機的I/O接口具有很強的驅(qū)動能力，灌電流可直接驅(qū)動繼電器、LED等器件，從而省去驅(qū)動電路，節(jié)約裝置成本[2]。與其它方案相比，采用ATmegal6型微處理器進行便攜式流量計的設(shè)計，不僅能夠達到較高的測量精度，而且高度集成了測量系統(tǒng)的外圍設(shè)備，這樣很大程度上簡化了檢測電路的設(shè)計，提高了儀表的兼容能力和穩(wěn)定性，同時具有低成本、低功耗等諸多特點。

2.4 流量顯示電路設(shè)計

流量顯示電路如圖7所示。

主要由達林頓晶體管陣列ULN2003、74HC164以及三位一體LED數(shù)碼管組成，ATmega16單片機先將流量輸出數(shù)據(jù)和脈沖信號送至74HC164進行串行輸入并行輸出的轉(zhuǎn)換，然后將并行輸出信號接至三位一體LED數(shù)碼管，利用ULN2003驅(qū)動LED進行流量顯示。

圖7 流量顯示電路Fig.7 Flux display circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機軟件采用ICCAVR編寫，ICCAVR是一種使用符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語言來開發(fā)微控制器程序的有力工具，是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境IDE。源文件全部被組織到工程之中，文件的編輯和工程的構(gòu)筑也在這個環(huán)境中完成編譯，錯誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當(dāng)你用鼠標(biāo)單擊編譯錯誤時，光標(biāo)會自動跳轉(zhuǎn)到編輯窗口中引起錯誤的那一行。這個工程管理器還能產(chǎn)生可以直接使用的INTEL HEX格式文件，INTEL HEX格式文件可被大多數(shù)的編程器所支持用于下載程序到芯片中去[3]。

主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flow chart

4 結(jié)語

采用以微控制器ATmega16為核心的新型便攜式流量計，具有體積小、精度高、工作可靠、性價比高等特點。V型內(nèi)錐流量計能改良流體流速分布，使介質(zhì)經(jīng)過V型錐后，在下游產(chǎn)生的渦流呈高頻的、低幅度的脈動，信號噪音比非常低。因此采用V型內(nèi)錐流量計的測量誤差遠(yuǎn)比一般差壓流量計低。同時，極其穩(wěn)定的信號使得差壓的量程下限比其他差壓流量計低。

通過實際使用表明，該流量計具有體積小、重量輕、顯示清晰、測量精度高、使用安全方便等特點，能夠及時、準(zhǔn)確地反映空氣攪拌系統(tǒng)的工作情況，性能達到國內(nèi)先進水平。目前該設(shè)備已投入使用50余套，在某軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

[1] 程國鋼，陳躍琴，崔荔蒙.單片機典型模塊開發(fā)查詢手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 張華宇，謝鳳芹，王立濱，等.AVR單片機開發(fā)入門與經(jīng)典實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 沈文，Eagle lee，詹衛(wèi)前.AVR單片機C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.