流量變送器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、注：成績：平時40% 論文質(zhì)量40% 答辯20% 以百分制計算 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級 設(shè)計題目流量變送器設(shè)計 課程設(shè)計（論文）任務(wù) 設(shè)計任務(wù)：設(shè)計任務(wù)：目前流量變送器應(yīng)用較為廣泛，設(shè)計一款流量變送器，能夠準(zhǔn)確的測量流 量信號，進(jìn)行放大濾波后，轉(zhuǎn)換為 420A 電流信號輸出?？勺孕羞x擇一種流量傳感 器，同時根據(jù)傳感器特點設(shè)計相應(yīng)的信號處理電路。設(shè)計相應(yīng)電路，確定元件參數(shù)； 進(jìn)行電路仿真；或進(jìn)行電路板焊接，電路板焊接后，利用一只采樣電阻取壓，然后用 萬用表檢測輸出相應(yīng)電壓值即可。 技術(shù)要求技術(shù)要求: 測量范圍：差壓： 0 1.0Mpa 或壓力： 01MPa，被測介質(zhì)為液體 輸入信號：傳感器輸出可

2、為脈沖信號、電壓信號等； 輸出信號：420A 電流信號； 環(huán)境溫度：-30+80C； 傳感器（敏感元件）：任意選擇一種傳感器 說明書要求說明書要求: 1.格式規(guī)范，符合學(xué)校要求； 2.說明書中應(yīng)有方法比較與方案論證，光電測量原理（公式）及具體的實現(xiàn)方案、 電路器件型號、參數(shù)等；硬件電路應(yīng)用 protel 繪制，并且進(jìn)行電路板焊接、調(diào)試；不能 采用單片機(jī)設(shè)計。 3.按規(guī)定格式，撰寫、打印設(shè)計說明書一份，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的設(shè)計過程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在 4000字以上。 進(jìn)度計劃 1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設(shè)計要求。 （2 天） 2、選擇流量傳感器、設(shè)計硬件電路圖。 （2 天） 3、計算器件參數(shù)、選擇

3、元器件型號繪制硬件電路圖。 （3 天） 4、仿真調(diào)試或硬件電路焊接、調(diào)試。 （2 天） 5、撰寫、打印設(shè)計說明書、答辯。 （1 天） 指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績： 年 月 日 摘 要 流量變送器廣泛用于紡織印染、石油、化工、冶金制藥、熱電、造紙，消防 工業(yè)的計量管理及過程等行業(yè)以及環(huán)保、市政管理，水利建設(shè)等領(lǐng)域。 本液體流量變送器選擇硅壓阻式傳感器，通過傳感器將流量的大小轉(zhuǎn)換為電 信號輸出，之后經(jīng)過放大、濾波和補償電路的處理，由 V/I 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，輸出 為 420mA 的電流信號。最后進(jìn)行仿真分析以及參數(shù)的計算,驗證電路設(shè)計。 設(shè)計流量變送器可以

4、豐富流量變送器的種類，擴(kuò)大流量變送器的應(yīng)用范圍， 有助于創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價值。 關(guān)鍵字：硅壓阻式傳感器；流量變送器；V/I 轉(zhuǎn)換電路；濾波 目 錄 第 1 章 緒論 .1 第 2 章 課程設(shè)計的方案 .2 2.1 概述 .2 2.2 敏感元件的選擇 .2 2.3 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .2 第 3 章 電路設(shè)計 .3 3.1 敏感元件電路 .3 3.2 信號放大電路 .3 3.3 濾波電路 .4 3.4 補償電路 .5 3.5 V/I 轉(zhuǎn)換電路圖 .6 3.6 直流穩(wěn)壓電源 .7 第 4 章 仿真與分析 .8 4.1 傳感器電路 .8 4.2 補償電路.8 4.3 V/I 轉(zhuǎn)換電路 .10 第 5

5、章 課程設(shè)計總結(jié) .11 參考文獻(xiàn) .12 附錄 .13 附錄 .14 附錄 .16 第 1 章 緒論 近來，在中國，自政府提出了以科學(xué)發(fā)展觀建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境型”社會 的國民經(jīng)濟(jì)指導(dǎo)方針后，由于流量測量涉及物流的計量，以生產(chǎn)中它是重要的信 息源頭在管理上它是效益、節(jié)能、環(huán)?？茖W(xué)評價的依據(jù)。無可置疑，它都起著舉 足輕重的地位，日益倍受關(guān)注。流量是一個推導(dǎo)量，因影響它的因素太多，如： 流體的物性、流體流動的特性、現(xiàn)場環(huán)境、工藝的要求、安裝、維護(hù)、經(jīng)濟(jì) 性等。企圖用一種儀表滿足上述一切要求是不可能的。所以相應(yīng)的儀表原理 即十多種，類型近 200 多，每一種儀表都有其優(yōu)缺點，只可能在某個特定領(lǐng)域

6、中 發(fā)揮作用，儀表各盡所能，用戶各取所需，尚沒有一種儀表可以獨占鰲頭，取代 其他一切儀表。而在國外，古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。 公元前 1000 年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。中國著名的都江堰水利工 程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17 世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計的理 論基礎(chǔ)，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19 世紀(jì)流量測量的許多類型儀 表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及 SST 靶式 流量計等。20 世紀(jì)由于過程工業(yè)、能量計量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急 劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地

7、推動 儀表更新?lián)Q代，新型流量計如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。 流量變送器廣泛應(yīng)用于紡織印染、石油、化工、冶金制藥、熱電、造紙，消 防工業(yè)的計量管理及過程等行業(yè)以及環(huán)保、市政管理，水利建設(shè)等領(lǐng)域。而自行 設(shè)計流量變送器不僅可以豐富流量變速器的種類，擴(kuò)大流量變送器的應(yīng)用范圍， 更可以對本專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行再一次的學(xué)習(xí)，加深對本專業(yè)的理解和認(rèn)識，因 為實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，紙上得來終覺淺。 自行設(shè)計一款液體流量變送器，可以準(zhǔn)確的將測量的流量信號進(jìn)行放大濾波 后，轉(zhuǎn)換為 420mA 電流信號輸出。因此就應(yīng)該首先選定敏感元件將流量的大小 轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于壓力傳感器的輸出信號是微弱的電壓信號，因此就需要對

8、 此電信號進(jìn)行放大，同時為了提高測量精度，還需要經(jīng)過低通濾波電路，防止一 些干擾信號對測量產(chǎn)生影響。 最后就可以將電壓信號通過 V/I 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為 420mA 的電流信號輸出。 濾波V/I 轉(zhuǎn)換敏感元件 流量 放大 第 2 章 課程設(shè)計的方案 2.1 概述 本次設(shè)計主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計流量變送器能在-30+80的溫 度下對壓力為 01MPa 的液體進(jìn)行流量檢測，最終轉(zhuǎn)換為 420mA 的電流信號輸 出。 2.2 敏感元件的選擇 這里要選用的是 BYP100 硅壓阻式傳感器。 傳感器參數(shù)如下： 量程：060Mpa； 工作溫度：-55125； 精度：0.5%0.1%； 輸出電壓范圍：0

9、350mV； 供電電壓：推薦 5V； 本次課程設(shè)計要求的壓力測量范圍為 01Mpa，工作環(huán)境溫度為-30+80。 因此，硅壓阻式傳感器的參數(shù)完全符合我們的設(shè)計要求。 2.3 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 如圖 2.1 所示 圖 2.1 流量變速器設(shè)計總框圖 本流量變送器由敏感元件、放大、濾波電路和 V/I 轉(zhuǎn)換電路四部分組成，液 體流過管道，產(chǎn)生壓力使壓力敏感元件的電橋電路產(chǎn)生電壓信號，然后電壓信號 通過放大、濾波電路，輸出 15V 的電壓信號，最后通過 V/I 電路將經(jīng)過放大濾 波電路輸出的 15V 的電壓信號轉(zhuǎn)換為 420mA 的電流信號輸出。 第 3 章 電路設(shè)計 3.1 傳感器原理電路 圖3.1

10、惠更斯電橋電路 圖3.1利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，并連接成惠更斯電橋，當(dāng)膜片受到外界壓力作 用，電橋失去平衡時，若對電橋加激勵電源（恒流和恒壓） ，便可得到與被測壓 力成正比的輸出電壓，從而達(dá)到將液體壓力大小的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸入到整體 電路的目的 由于要使電橋平衡，因此其它三個電阻的阻值應(yīng)與單晶硅的電阻不受力時的 阻值相等，這樣惠更斯電橋的輸出電壓才能為0，所以其它三個電阻都應(yīng)選用都 用100的電阻，而硅壓阻式的傳感器輸出最大值=350mV，所以電位器的電阻變 化為100132.6，因此選用200的電位器就能滿足仿真電路對傳感器電路輸出 電壓的要求，所以選擇200的電位器代替改變阻值的膜片，模擬

11、流量變化時壓力 的變化。 3.2 信號放大電路 三運放高共模抑制比放大電路如圖 3.2 所示： 5 81112 )1 ( R R R RR K B 因為壓阻式傳感器的輸出阻抗很高，要求放大電路須有更高的輸入阻抗，不 從傳感器輸出端吸收電流，以免破壞傳感器的工作狀態(tài)，因此設(shè)計了當(dāng)前電路， 此電路具有很高的輸入阻抗和很高的共模抑制比和開環(huán)增益；失調(diào)電流、電壓、 噪聲和漂移都很小。并且第一級為同相并聯(lián)差動放大器，由于電路結(jié)構(gòu)對稱，因 此漂移和失調(diào)相互抵消，具有抑制共模干擾的能力；第二級差動放大電路，有效 地抑制共模信號干擾。 圖 3.2 三運放高共模抑制比放大電路 此放大電路的總增益公式： (3-1

12、) 而本次設(shè)計需要放大電路的增益為 19，所以選擇=10k，=10k，滑 12 R 11 R 動變阻器阻值為 10k 即可。因為本設(shè)計所需的放大倍數(shù)比較小，所以不需要第 二級有放大作用，所以10k。 58 RR 3.3 濾波電路 因為本次輸入電壓為低頻信號，所以應(yīng)該選用低頻濾波電路，所以該電路為 二階低通濾波電路，起到對高頻干擾信號進(jìn)行過濾，提高測量精度的作用。 由于該電路是二階低通濾波電路，并且需要、，而根據(jù)公HZfc1601 p k 式： （3-2） cc f CCRR 2 1 2 1723 (3-3) 16 23 p R R -k 并結(jié)合實驗室現(xiàn)有器材可以確定各器件參數(shù)： ，。k1 15

13、71623 RRRRFCC1 21 圖 3.3 濾波電路 3.4 補償電路 圖 3.4 補償電路 該部分電路是為了將經(jīng)過放大濾波電路的電壓信號，進(jìn)行補償，使輸出的電 壓信號不需要先被 V/I 轉(zhuǎn)換電路的二極管分走一部分電壓，導(dǎo)致無法測量一些小 流量時的流量。 其中二極管 IN4148 有分壓作用，V/I 轉(zhuǎn)換電路的上端電壓經(jīng)計算，當(dāng)電壓為 1.6V 時，可以使 V/I 輸出端的輸出值為 4mA，因此補償電路只需要補償 1.6V 就 可以抵消 V/I 轉(zhuǎn)換電路的上部電路的影響。 3.5 V/I 轉(zhuǎn)換電路圖 V/I 轉(zhuǎn)換電路如下圖所示：該電路是將經(jīng)過處理后的電壓信號轉(zhuǎn)換為 420mA 的電流信號。

14、 在輸入端加了一路信號進(jìn)行控制。還是利用二極管的單向?qū)щ娦赃M(jìn)行設(shè)計。 當(dāng)輸入為零電壓流時，只要上端二極管正端有電壓存在，二極管導(dǎo)通，將此電壓 信號輸入到集成運放的同相輸入端，輸出一定的電流信號。就是說，只要調(diào)節(jié)滑 動變阻器，就可以使得輸入為零時，輸出電流值不為零，根據(jù)計算知，當(dāng) 17 R =9.25K，輸出為 4mA，同時當(dāng)輸入電壓=max 時，要求輸出電流=20mA，又 17 R 因為當(dāng)時，我們可以通過調(diào)節(jié)的阻值來控制輸出的電RRRRR 2120191822 R 流值，所以經(jīng)過計算可知：當(dāng)，壓力最大時，=610、輸出的電流信號 22 R =20mA。而 R 的值根據(jù)實驗室常用的電阻取 47K

15、。 圖 3.5V/I 轉(zhuǎn)換電路 最后還需要連入兩個二極管，選用常用的兩個二極管 IN4148. 3.6 直流穩(wěn)壓電源 此電路為設(shè)計中的各運放提供穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源，圖中 LM7812CT 是三端 穩(wěn)壓集成電路 IC 芯片元器件，它可以將 220V 交流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 12V 直流 穩(wěn)壓電源，其中 U+=12V,U-=-12V。 圖 3.6 直流穩(wěn)壓電源電路圖 第 4 章 仿真與分析 4.1 傳感器電路 圖 4.1 傳感器放大電路 如圖 4.1 所示，當(dāng)膜片受到外力時，電阻值發(fā)生變化，從而電橋失去平衡， 此時+5V 直流電供電時的輸出電壓和經(jīng)過放大后的電壓，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)此時的傳 感器放大電路的

16、增益為-19.17，與設(shè)計電路時的初衷（K=-19）基本相符， ，所以此電路符合設(shè)計。89 . 0 19 19-17.19 4.2 補償電路 圖 4.2 為當(dāng)壓力最大時的補償電路，由圖中萬用表可知，當(dāng)壓力最大時輸出 的電壓值=8.281V，與設(shè)計初衷基本相符，所以設(shè)計合理。 圖 4.2 補償電路（壓力最大時） 圖 4.2 為當(dāng)壓力最大時的補償電路，由圖中萬用表可知，當(dāng)壓力最大時輸出 的電壓值=8.32V，與設(shè)計初衷基本相符，所以設(shè)計合理。 圖 4.3 補償電路（壓力=0） 圖 4.3 為當(dāng)壓力=0 時的補償電路仿真，由圖中萬用表可知，當(dāng)壓力=0 時輸出 的電壓值=1.6V，與設(shè)計初衷相同，所以

17、設(shè)計合理。 設(shè)計電路時，理論上通過計算可知補償電路的輸出值應(yīng)為 1.68V 的電壓信 號，而通過仿真可知，實際上補償電路的輸出電壓范圍是 1.6V8.32V，與設(shè)計初 衷基本相符，所以設(shè)計方案合理。 4.3 V/I 轉(zhuǎn)換電路 圖 4.4 V/I 轉(zhuǎn)換電路（輸入電壓=1.6V） 圖 4.4 為當(dāng)輸入電壓為 1.6V 時，經(jīng)過 V/I 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的輸出電流如圖萬 用表示數(shù)=4mA。 圖 4.5 V/I 轉(zhuǎn)換電路（輸入電壓=8.32V） 圖 4.5 為當(dāng)輸入電壓為 8.32V 時經(jīng)過 V/I 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的輸出電流如圖 萬用表示數(shù)=19.811mA。 通過仿真可知，實際上 V/I 轉(zhuǎn)換電路的

18、輸出電流范圍是 419.811mA，與設(shè)計 初衷基本相符，所以設(shè)計方案合理。 第 5 章 課程設(shè)計總結(jié) 本次課程設(shè)計要求自行設(shè)計液體流量變速器可以在-30+80的環(huán)境下工作， 并且可以測量 01MPa 壓力的流量大小，輸出信號為 420mA 的電流信號。根據(jù) 設(shè)計要求，設(shè)計了本次電路：首先，根據(jù)硅膜片受力形變，使電阻阻值產(chǎn)生變化 的原理，設(shè)計了惠更斯電橋電路，將液體產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后由高 共模抑制比放大電路和二階低通濾波電路對電橋輸出的小電壓值進(jìn)行處理，最后 經(jīng)過 V/I 轉(zhuǎn)換電路，將處理后的電壓值轉(zhuǎn)換為 420mA 的電流信號輸出系統(tǒng)，我 們可以由輸出的電流信號的大小判斷流量的大小。 通過計算，設(shè)計了電路，然后利用仿真軟件對設(shè)計電路進(jìn)行仿真，評估設(shè)計 電路是否符合要求，因此采用了 multisim12.0 對設(shè)計電路進(jìn)行了相應(yīng)電路的仿真， 并且對最后的總電路進(jìn)行了仿真，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計的電路基本符合當(dāng)初 的設(shè)計初衷，總電路的輸出電流信號的范圍也是 420mA，因此本次電路設(shè)計基 本完成。 完成設(shè)計的中間經(jīng)歷了許多，也收獲了許多?，F(xiàn)在，設(shè)計電路基本完成，但 是其中仍然存在許多問題有待解決，比如：三運放高共模抑制比放大電路的增益 在設(shè)計時要求是