流量检测装置设计说明书
一、装置需求：
1. 100点流量差压信号的采集。用键盘输入流量系数，输入时可显示； 2. 范围0-1000l/min,采集周期0.5s,信号4-20mA，分辨力0.1%； 3. 要求运用数字滤波（方法自选）；
4. 计算瞬时流量（l/min）、累计流量（m3/h）,并显示；
5. 操作人员可随时修改流量系数和切换显示内容（瞬时/累计流量）。
二、设计说明书要求：
1. 系统构成框图及构成说明，包括主要部件的选型及依据； 2. DSP与A/D转换芯片连接的电原理图； 3. 程序框图，包括主要流程；
4. 采集、数字滤波、流量计算程序清单。
三、差压式流量计基本理论
1.节流装置工作原理
差压式流量计是根据伯努力方程和流体连续性原理用差压法测量流量的，其节流装置工作原理如图1所示，在横截面H处：流体的平均流速是v1，密度是ρ1，横截面积是A1；在横截面L处：流体的平均流速是v2，密度是ρ2，横截面积是A2。
图1 差压流量计工作原理图
根据流体流动连续性原理有如下关系式：
v1·A1·ρ1=v2·A2·ρ2 （1）
如果流体是液体，可认为在收缩前、后其密度不变：
ρ1＝ρ2＝ρ （2）
根据瞬时流量的定义，即单位时间内流体流经管道或明渠某横截面的数量，
所以液体的体积瞬时流量：
qv?v1?A1?v2?A2 （3）
根据伯努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1＝Z2，则有如下关系式：
P1??1v122?P2?2?2v22 （4）
应用伯努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上压力差则有如下关系式：
?P?P1?P2?
?22(v2?v12) （5）
将（3）代入（5）式，并整理，则得：
?P??2[1?(A222)]v2A1 （6）
由于A1???D24， A2???d24， 定义直径比??d， 其中d为工作状况D下节流件的等效开孔直径，D为管道直径，则得到：
qv2 ?P?(1??)2
2A2 （7）
?4 这样可推导出以下的理论流量公式：
qv?11??4?4d22??P?1 （8）
又由于流量系数C的定义是：C= 实际流量/理论流量，可得出节流式差压流
量计普遍适用的测量体积流量的实际流量公式：
qv?C??1??4?4d22??P? （9）
其中，ε为被测介质的可膨胀性系数：对于液体=1； 对气体、蒸气等可压缩流体＜1 。
根据累计流量的定义，即在某一段时间内流过某横截面流体的总量，所以液体的体积累计流量为：
Qv??qvdt （10）
t 因此，我们只要检测出差压即可分别计算出瞬时流量和累计流量的大小。
2. 差压变送器工作原理
在采用差压方式进行流量测量时，其流量
Qv与差压?P呈非线性关系，即差
压信号与流量之间存在一个开方关系。为了线性的表达流量，需要对测量系统总
的流量信号进行一次开放运算，具体如下：
输出值?输出起始值输入值?输入起始值 （11） ?输出满程值?输出起始值输入满程值?输入起始值即：
输出值?
输入值?输入起始值?(输出满程值?输出起始值)?输出起始值输入满程值?输入起始值应用实例：
求测量范围为0-4KPa，输出4-20mA的带开方差压变送器，输入2KPa差压值时的输出电流为多少？
输入2KPa时的输出电流=
2?0?(20?4)?4?0.5?16?4?15.31mA 4?0四、差压式流量计硬件设计
差压式流量计整体设计框图如图2所示， 首先安装在管道中的多个节流装置检测出流体差压
?Pj，送入差压变送器转换为相应电流
Ij（4-20mA）；然后
DSP控制多路模拟开关选择输出一路电流
Ij到放大器，使其转化为相应电压
Uj（0-5V）；最后信号由A/D采样后导入到DSP（同时选通第二路电流信号），对多路数据进行处理并显示。
节流装置……差压变送器……节流装置……差压变送器……多路模拟开关显示放大器A/DDSP键盘节流装置差压变送器
图2 差压式流量计整体设计框图
1. 节流装置的选型
根据装置需求 100点流量差压信号的采集，范围0-1000l/min，本设计选用MPA（Multi-Point Averaging Flow meter）流量计(多点测量平均流速流量计)。每个MPA流量计有24点流量信号的采集，相比其他只能2点流量信号采集结构的流量计而言，精度高；同时流量范围1-15000（m3/h）远超过设计指标要求。
MPA流量计是一种用于测量管道中液体，气体或蒸汽等流体流量的新型的差压式流量计。流体的流量正比于流量计差压信号的平方根，用户只需配用差压计及流量显示积算仪就可以得到准确的流量测量。
（1）与一般的速度式流量计的区别 ：
例如：皮托管流量计－测量的是某个点的流速；均速管流量计－测量的是管道纵向或横向分布的平均流速。而MPA流量计是测量分布在管道截面上多个点（测量点是严格按切比雪夫积分法选取在管道横截面上）的流体流速并最终得到准确的管道平均流速测量，因此它具有良好的流量测量准确度； （2）与一般节流式差压流量计的区别：
与节流式孔板流量计、v型内锥式流量计等相比。MPA流量计的管道压力损失很小，仅为普通孔板流量计的1/5--1/8，是一种节能式流量测量仪表；
由于测量是通过管道截面多点平均流速的测量来实现的，因此MPA流量计对前直管段要求相对较低，一般表前有5倍D的直管段就可以满足测量要求，而表后只要有2倍D的直管段就可以满足要求；
场取压差压测量技术措施可抑制测量噪声，提高信号测量的准确性，测量范围度一般可达到1：12或更大。
MPA流量计的结构如图3所示。
图3 MPA流量计的结构图
用MPA流量计测量流量的关键是如何确定特征点（即流速测量点的分布）。目前比较常用的有等环面法、切比雪夫积分法和对数线性法。
等环面法将半径为R的圆管分成n个面积相等的同心圆环（最中间的为圆）。在每一个圆环的等面积处设置测量点，即特征点位置。半径方向上n个测量点的
ri?R2i?12n。
位置为r1、r2、r3……、rn，
切比雪夫积分法是利用切比雪夫插值点ti求函数在区间﹣1到1的积分的一
ri?R11?ti22。
种近似算法。经过变换，可以求得管内半径方向的测点位置
对数线性法选择特征点的原则是把各环面上的平均速度看作是该环面上各特征点所测得的速度的算术平均值。而整个截面上的平均速度就等于各环面平均速度的算术平均值。
MPA流量计是严格按照切比雪夫法选取分布在管道上的流速测量点的，其分布图如图4如下： 图4 流速测量点分布示意图 MPA流量计为低压差设计，因此测量气体时一般不必考虑气体膨胀系数的影响。只有在低压系统中使用（例如常压系统气体流量测量），差压值与系统压力比（△p/P）大于4％时需要考虑气体膨胀性对测量的影响。
因此，MPA流量计是一种新型的高性能的流量测量仪表。其参数指标如下：
2. 差压变送器的选型
根据装置需求输出电流4-20mA，另外考虑到测量范围、精度等级及工作温度等多种因素，本设计选择ZL1151电容式差压变送器。ZL1151输出电流4-20（mA）,测量范围0-40000（KPa），精度等级0.05%，工作温度-40-140摄氏度，优于装置需求。ZL1151电容式差压变送器结构图如图5所示。
图5 差压变送器结构图
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