本科生課程設(shè)計(jì)（論文）學(xué)號(hào)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)題目流量變送器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：目前流量變送器應(yīng)用較為廣泛，設(shè)計(jì)一款流量變送器，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量流量信號(hào)，進(jìn)行放大濾波后，轉(zhuǎn)換為4～20ｍA電流信號(hào)輸出?？勺孕羞x擇一種流量傳感器，同時(shí)根據(jù)傳感器特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)處理電路。設(shè)計(jì)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(wàn)用表檢測(cè)輸出相應(yīng)電壓值即可。技術(shù)要求:測(cè)量范圍：差壓：0

～1.0Mpa或壓力：0～1MPa，被測(cè)介質(zhì)為液體輸入信號(hào)：傳感器輸出可為脈沖信號(hào)、電壓信號(hào)等；輸出信號(hào)：4～20ｍA電流信號(hào)；環(huán)境溫度：-30～+80°C；傳感器（敏感元件）：任意選擇一種傳感器說(shuō)明書(shū)要求:1.格式規(guī)范，符合學(xué)校要求；2.說(shuō)明書(shū)中應(yīng)有方法比較與方案論證，光電測(cè)量原理（公式）及具體的實(shí)現(xiàn)方案、電路器件型號(hào)、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(jì)。3.按規(guī)定格式，撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上。進(jìn)度計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。（2天）2、選擇流量傳感器、設(shè)計(jì)硬件電路圖。（2天）3、計(jì)算器件參數(shù)、選擇元器件型號(hào)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(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、答辯。（1天）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)：論文質(zhì)量：答辯：指導(dǎo)教師簽字：總成績(jī)：年月日注：成績(jī)：平時(shí)40%論文質(zhì)量40%答辯20%以百分制計(jì)算

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(jì)量管理及過(guò)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(guò)傳感器將流量的大小轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，之后經(jīng)過(guò)放大、濾波和補(bǔ)償電路的處理，由V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，輸出為4~20mA的電流信號(hào)。最后進(jìn)行仿真分析以及參數(shù)的計(jì)算,驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流量變送器可以豐富流量變送器的種類(lèi)，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(jià)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TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 1第2章課程設(shè)計(jì)的方案 22.1概述 22.2敏感元件的選擇 22.3系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 2第3章電路設(shè)計(jì) 33.1敏感元件電路 33.2信號(hào)放大電路 33.3濾波電路 43.4補(bǔ)償電路 53.5V/I轉(zhuǎn)換電路圖 63.6直流穩(wěn)壓電源 7第4章仿真與分析 84.1傳感器電路 84.2補(bǔ)償電路 84.3V/I轉(zhuǎn)換電路 10第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié) 11參考文獻(xiàn) 12附錄Ⅰ 13附錄Ⅱ 14附錄Ⅲ 16PAGE1緒論近來(lái)，在中國(guó)，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(huì)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)指導(dǎo)方針后，由于流量測(cè)量涉及物流的計(jì)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)保科學(xué)評(píng)價(jià)的依據(jù)。無(wú)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(gè)推導(dǎo)量，因影響它的因素太多，如：流體的物性、流體流動(dòng)的特性、現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)型近200多，每一種儀表都有其優(yōu)缺點(diǎn)，只可能在某個(gè)特定領(lǐng)域中發(fā)揮作用，儀表各盡所能，用戶各取所需，尚沒(méi)有一種儀表可以獨(dú)占鰲頭，取代其他一切儀表。而在國(guó)外，古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測(cè)量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測(cè)量尼羅河的流量。中國(guó)著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測(cè)水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測(cè)量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測(cè)量的許多類(lèi)型儀表的雛形開(kāi)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(jì)等。20世紀(jì)由于過(guò)程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對(duì)流量測(cè)量的需求急劇增長(zhǎng)，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動(dòng)儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。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(jì)量管理及過(guò)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(jì)流量變送器不僅可以豐富流量變速器的種類(lèi)，擴(kuò)大流量變送器的應(yīng)用范圍，更可以對(duì)本專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行再一次的學(xué)習(xí)，加深對(duì)本專(zhuān)業(yè)的理解和認(rèn)識(shí)，因?yàn)閷?shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，紙上得來(lái)終覺(jué)淺。自行設(shè)計(jì)一款液體流量變送器，可以準(zhǔn)確的將測(cè)量的流量信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，轉(zhuǎn)換為4~20mA電流信號(hào)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(hào)，由于壓力傳感器的輸出信號(hào)是微弱的電壓信號(hào)，因此就需要對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)為了提高測(cè)量精度，還需要經(jīng)過(guò)低通濾波電路，防止一些干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。最后就可以將電壓信號(hào)通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)輸出。課程設(shè)計(jì)的方案概述本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)流量變送器能在-30℃~+80℃的溫度下對(duì)壓力為0~1MPa的液體進(jìn)行流量檢測(cè)，最終轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)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：0～60Mpa；工作溫度：-55℃～125℃；精度：0.5%～0.1%；輸出電壓范圍：0~350mV；供電電壓：推薦5V；本次課程設(shè)計(jì)要求的壓力測(cè)量范圍為0~1Mpa，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(jì)要求。2.3系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)放大流量敏感元件濾波V/I轉(zhuǎn)換如圖2.1所示放大流量敏感元件濾波V/I轉(zhuǎn)換圖2.1流量變速器設(shè)計(jì)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(guò)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(hào)，然后電壓信號(hào)通過(guò)放大、濾波電路，輸出1~5V的電壓信號(hào)，最后通過(guò)V/I電路將經(jīng)過(guò)放大濾波電路輸出的1~5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)輸出。電路設(shè)計(jì)傳感器原理電路圖3.1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(shí)，若對(duì)電橋加激勵(lì)電源（恒流和恒壓），便可得到與被測(cè)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(hào)輸入到整體電路的目的由于要使電橋平衡，因此其它三個(gè)電阻的阻值應(yīng)與單晶硅的電阻不受力時(shí)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(gè)電阻都應(yīng)選用都用100Ω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100Ω~132.6Ω，因此選用200Ω的電位器就能滿足仿真電路對(duì)傳感器電路輸出電壓的要求，所以選擇200Ω的電位器代替改變阻值的膜片，模擬流量變化時(shí)壓力的變化。信號(hào)放大電路三運(yùn)放高共模抑制比放大電路如圖3.2所示：因?yàn)閴鹤枋絺鞲衅鞯妮敵鲎杩购芨撸蠓糯箅娐讽氂懈叩妮斎胱杩?，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(jì)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(kāi)環(huán)增益；失調(diào)電流、電壓、噪聲和漂移都很小。并且第一級(jí)為同相并聯(lián)差動(dòng)放大器，由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，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(jí)差動(dòng)放大電路，有效地抑制共模信號(hào)干擾。圖3.2三運(yùn)放高共模抑制比放大電路此放大電路的總增益公式：(3-1)而本次設(shè)計(jì)需要放大電路的增益為19，所以選擇=10kΩ，=10kΩ，滑動(dòng)變阻器阻值為10kΩ即可。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所需的放大倍數(shù)比較小，所以不需要第二級(jí)有放大作用，所以10kΩ。3.3濾波電路因?yàn)楸敬屋斎腚妷簽榈皖l信號(hào)，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(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，提高測(cè)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)公式：（3-2）(3-3)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材可以確定各器件參數(shù)：，。圖3.3濾波電路補(bǔ)償電路圖3.4補(bǔ)償電路該部分電路是為了將經(jīng)過(guò)放大濾波電路的電壓信號(hào)，進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出的電壓信號(hào)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(wú)法測(cè)量一些小流量時(shí)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(jì)算，當(dāng)電壓為1.6V時(shí)，可以使V/I輸出端的輸出值為4mA，因此補(bǔ)償電路只需要補(bǔ)償1.6V就可以抵消V/I轉(zhuǎn)換電路的上部電路的影響。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(guò)處理后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)。在輸入端加了一路信號(hào)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(jì)。當(dāng)輸入為零電壓流時(shí)，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(hào)輸入到集成運(yùn)放的同相輸入端，輸出一定的電流信號(hào)。就是說(shuō)，只要調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以使得輸入為零時(shí)，輸出電流值不為零，根據(jù)計(jì)算知，當(dāng)=9.25KΩ，輸出為4mA，同時(shí)當(dāng)輸入電壓=max時(shí)，要求輸出電流=20mA，又因?yàn)楫?dāng)時(shí)，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)的阻值來(lái)控制輸出的電流值，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算可知：當(dāng)，壓力最大時(shí)，=610Ω、輸出的電流信號(hào)=20mA。而R的值根據(jù)實(shí)驗(yàn)室常用的電阻取47KΩ。圖3.5V/I轉(zhuǎn)換電路最后還需要連入兩個(gè)二極管，選用常用的兩個(gè)二極管IN4148.直流穩(wěn)壓電源此電路為設(shè)計(jì)中的各運(yùn)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)壓電源電路圖仿真與分析傳感器電路圖4.1傳感器放大電路如圖4.1所示，當(dāng)膜片受到外力時(shí)，電阻值發(fā)生變化，從而電橋失去平衡，此時(shí)+5V直流電供電時(shí)的輸出電壓和經(jīng)過(guò)放大后的電壓，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)此時(shí)的傳感器放大電路的增益為-19.17，與設(shè)計(jì)電路時(shí)的初衷（K=-19）基本相符，，所以此電路符合設(shè)計(jì)。4.2補(bǔ)償電路圖4.2為當(dāng)壓力最大時(shí)的補(bǔ)償電路，由圖中萬(wàn)用表可知，當(dāng)壓力最大時(shí)輸出的電壓值=8.281V，與設(shè)計(jì)初衷基本相符，所以設(shè)計(jì)合理。圖4.2補(bǔ)償電路（壓力最大時(shí)）圖4.2為當(dāng)壓力最大時(shí)的補(bǔ)償電路，由圖中萬(wàn)用表可知，當(dāng)壓力最大時(shí)輸出的電壓值=8.32V，與設(shè)計(jì)初衷基本相符，所以設(shè)計(jì)合理。圖4.3補(bǔ)償電路（壓力=0）圖4.3為當(dāng)壓力=0時(shí)的補(bǔ)償電路仿真，由圖中萬(wàn)用表可知，當(dāng)壓力=0時(shí)輸出的電壓值=1.6V，與設(shè)計(jì)初衷相同，所以設(shè)計(jì)合理。設(shè)計(jì)電路時(shí)，理論上通過(guò)計(jì)算可知補(bǔ)償電路的輸出值應(yīng)為1.6~8V的電壓信號(hào)，而通過(guò)仿真可知，實(shí)際上補(bǔ)償電路的輸出電壓范圍是1.6V~8.32V，與設(shè)計(jì)初衷基本相符，所以設(shè)計(jì)方案合理。V/I轉(zhuǎn)換電路圖4.4V/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(shí)，經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的輸出電流如圖萬(wàn)用表示數(shù)=4mA。圖4.5V/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(shí)經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的輸出電流如圖萬(wàn)用表示數(shù)=19.811mA。通過(guò)仿真可知，實(shí)際上V/I轉(zhuǎn)換電路的輸出電流范圍是4~19.811mA，與設(shè)計(jì)初衷基本相符，所以設(shè)計(jì)方案合理。課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)要求自行設(shè)計(jì)液體流量變速器可以在-30℃~+80℃的環(huán)境下工作，并且可以測(cè)量0~1MPa壓力的流量大小，輸出信號(hào)為4~20mA的電流信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)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(jì)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(hào)，然后由高共模抑制比放大電路和二階低通濾波電路對(duì)電橋輸出的小電壓值進(jìn)行處理，最后經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路，將處理后的電壓值轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)輸出系統(tǒng)，我們可以由輸出的電流信號(hào)的大小判斷流量的大小。通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)了電路，然后利用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，評(píng)估設(shè)計(jì)電路是否符合要求，因此采用了multisim12.0對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了相應(yīng)電路的仿真，并且對(duì)最后的總電路進(jìn)行了仿真，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)的電路基本符合當(dāng)初的設(shè)計(jì)初衷，總電路的輸出電流信號(hào)的范圍也是4~20mA，因此本次