流量变送器设计毕业设计

1、注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 设计题目流量变送器设计 课程设计（论文）任务 设计任务：设计任务：目前流量变送器应用较为广泛，设计一款流量变送器，能够准确的测量流 量信号，进行放大滤波后，转换为 420A 电流信号输出。可自行选择一种流量传感 器，同时根据传感器特点设计相应的信号处理电路。设计相应电路，确定元件参数； 进行电路仿真；或进行电路板焊接，电路板焊接后，利用一只采样电阻取压，然后用 万用表检测输出相应电压值即可。 技术要求技术要求: 测量范围：差压： 0 1.0Mpa 或压力： 01MPa，被测介质为液体 输入信号：传感器输出可

2、为脉冲信号、电压信号等； 输出信号：420A 电流信号； 环境温度：-30+80C； 传感器（敏感元件）：任意选择一种传感器 说明书要求说明书要求: 1.格式规范，符合学校要求； 2.说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的实现方案、 电路器件型号、参数等；硬件电路应用 protel 绘制，并且进行电路板焊接、调试；不能 采用单片机设计。 3.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在 4000字以上。 进度计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。 （2 天） 2、选择流量传感器、设计硬件电路图。 （2 天） 3、计算器件参数、选择

3、元器件型号绘制硬件电路图。 （3 天） 4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。 （2 天） 5、撰写、打印设计说明书、答辩。 （1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 摘 要 流量变送器广泛用于纺织印染、石油、化工、冶金制药、热电、造纸，消防 工业的计量管理及过程等行业以及环保、市政管理，水利建设等领域。 本液体流量变送器选择硅压阻式传感器，通过传感器将流量的大小转换为电 信号输出，之后经过放大、滤波和补偿电路的处理，由 V/I 转换电路转换，输出 为 420mA 的电流信号。最后进行仿真分析以及参数的计算,验证电路设计。 设计流量变送器可以

4、丰富流量变送器的种类，扩大流量变送器的应用范围， 有助于创造更多的经济价值。 关键字：硅压阻式传感器；流量变送器；V/I 转换电路；滤波 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 课程设计的方案 .2 2.1 概述 .2 2.2 敏感元件的选择 .2 2.3 系统组成总体结构 .2 第 3 章 电路设计 .3 3.1 敏感元件电路 .3 3.2 信号放大电路 .3 3.3 滤波电路 .4 3.4 补偿电路 .5 3.5 V/I 转换电路图 .6 3.6 直流稳压电源 .7 第 4 章 仿真与分析 .8 4.1 传感器电路 .8 4.2 补偿电路.8 4.3 V/I 转换电路 .10 第 5

5、章 课程设计总结 .11 参考文献 .12 附录 .13 附录 .14 附录 .16 第 1 章 绪论 近来，在中国，自政府提出了以科学发展观建设“资源节约型、环境型”社会 的国民经济指导方针后，由于流量测量涉及物流的计量，以生产中它是重要的信 息源头在管理上它是效益、节能、环保科学评价的依据。无可置疑，它都起着举 足轻重的地位，日益倍受关注。流量是一个推导量，因影响它的因素太多，如： 流体的物性、流体流动的特性、现场环境、工艺的要求、安装、维护、经济 性等。企图用一种仪表满足上述一切要求是不可能的。所以相应的仪表原理 即十多种，类型近 200 多，每一种仪表都有其优缺点，只可能在某个特定领域

6、中 发挥作用，仪表各尽所能，用户各取所需，尚没有一种仪表可以独占鳌头，取代 其他一切仪表。而在国外，古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。 公元前 1000 年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。中国著名的都江堰水利工 程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17 世纪托里拆利奠定差压式流量计的理 论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19 世纪流量测量的许多类型仪 表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及 SST 靶式 流量计等。20 世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急 剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地

7、推动 仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。 流量变送器广泛应用于纺织印染、石油、化工、冶金制药、热电、造纸，消 防工业的计量管理及过程等行业以及环保、市政管理，水利建设等领域。而自行 设计流量变送器不仅可以丰富流量变速器的种类，扩大流量变送器的应用范围， 更可以对本专业的学习内容进行再一次的学习，加深对本专业的理解和认识，因 为实践是检验真理的唯一标准，纸上得来终觉浅。 自行设计一款液体流量变送器，可以准确的将测量的流量信号进行放大滤波 后，转换为 420mA 电流信号输出。因此就应该首先选定敏感元件将流量的大小 转换为电压信号，由于压力传感器的输出信号是微弱的电压信号，因此就需要对

8、 此电信号进行放大，同时为了提高测量精度，还需要经过低通滤波电路，防止一 些干扰信号对测量产生影响。 最后就可以将电压信号通过 V/I 转换电路转换为 420mA 的电流信号输出。 滤波V/I 转换敏感元件 流量 放大 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 本次设计主要是综合应用所学知识，设计流量变送器能在-30+80的温 度下对压力为 01MPa 的液体进行流量检测，最终转换为 420mA 的电流信号输 出。 2.2 敏感元件的选择 这里要选用的是 BYP100 硅压阻式传感器。 传感器参数如下： 量程：060Mpa； 工作温度：-55125； 精度：0.5%0.1%； 输出电压范围：0

9、350mV； 供电电压：推荐 5V； 本次课程设计要求的压力测量范围为 01Mpa，工作环境温度为-30+80。 因此，硅压阻式传感器的参数完全符合我们的设计要求。 2.3 系统组成总体结构 如图 2.1 所示 图 2.1 流量变速器设计总框图 本流量变送器由敏感元件、放大、滤波电路和 V/I 转换电路四部分组成，液 体流过管道，产生压力使压力敏感元件的电桥电路产生电压信号，然后电压信号 通过放大、滤波电路，输出 15V 的电压信号，最后通过 V/I 电路将经过放大滤 波电路输出的 15V 的电压信号转换为 420mA 的电流信号输出。 第 3 章 电路设计 3.1 传感器原理电路 图3.1

10、惠更斯电桥电路 图3.1利用单晶硅的压阻效应，并连接成惠更斯电桥，当膜片受到外界压力作 用，电桥失去平衡时，若对电桥加激励电源（恒流和恒压） ，便可得到与被测压 力成正比的输出电压，从而达到将液体压力大小的变化转换为电信号输入到整体 电路的目的 由于要使电桥平衡，因此其它三个电阻的阻值应与单晶硅的电阻不受力时的 阻值相等，这样惠更斯电桥的输出电压才能为0，所以其它三个电阻都应选用都 用100的电阻，而硅压阻式的传感器输出最大值=350mV，所以电位器的电阻变 化为100132.6，因此选用200的电位器就能满足仿真电路对传感器电路输出 电压的要求，所以选择200的电位器代替改变阻值的膜片，模拟

11、流量变化时压力 的变化。 3.2 信号放大电路 三运放高共模抑制比放大电路如图 3.2 所示： 5 81112 )1 ( R R R RR K B 因为压阻式传感器的输出阻抗很高，要求放大电路须有更高的输入阻抗，不 从传感器输出端吸收电流，以免破坏传感器的工作状态，因此设计了当前电路， 此电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益；失调电流、电压、 噪声和漂移都很小。并且第一级为同相并联差动放大器，由于电路结构对称，因 此漂移和失调相互抵消，具有抑制共模干扰的能力；第二级差动放大电路，有效 地抑制共模信号干扰。 图 3.2 三运放高共模抑制比放大电路 此放大电路的总增益公式： (3-1

12、) 而本次设计需要放大电路的增益为 19，所以选择=10k，=10k，滑 12 R 11 R 动变阻器阻值为 10k 即可。因为本设计所需的放大倍数比较小，所以不需要第 二级有放大作用，所以10k。 58 RR 3.3 滤波电路 因为本次输入电压为低频信号，所以应该选用低频滤波电路，所以该电路为 二阶低通滤波电路，起到对高频干扰信号进行过滤，提高测量精度的作用。 由于该电路是二阶低通滤波电路，并且需要、，而根据公HZfc1601 p k 式： （3-2） cc f CCRR 2 1 2 1723 (3-3) 16 23 p R R -k 并结合实验室现有器材可以确定各器件参数： ，。k1 15

13、71623 RRRRFCC1 21 图 3.3 滤波电路 3.4 补偿电路 图 3.4 补偿电路 该部分电路是为了将经过放大滤波电路的电压信号，进行补偿，使输出的电 压信号不需要先被 V/I 转换电路的二极管分走一部分电压，导致无法测量一些小 流量时的流量。 其中二极管 IN4148 有分压作用，V/I 转换电路的上端电压经计算，当电压为 1.6V 时，可以使 V/I 输出端的输出值为 4mA，因此补偿电路只需要补偿 1.6V 就 可以抵消 V/I 转换电路的上部电路的影响。 3.5 V/I 转换电路图 V/I 转换电路如下图所示：该电路是将经过处理后的电压信号转换为 420mA 的电流信号。

14、 在输入端加了一路信号进行控制。还是利用二极管的单向导电性进行设计。 当输入为零电压流时，只要上端二极管正端有电压存在，二极管导通，将此电压 信号输入到集成运放的同相输入端，输出一定的电流信号。就是说，只要调节滑 动变阻器，就可以使得输入为零时，输出电流值不为零，根据计算知，当 17 R =9.25K，输出为 4mA，同时当输入电压=max 时，要求输出电流=20mA，又 17 R 因为当时，我们可以通过调节的阻值来控制输出的电RRRRR 2120191822 R 流值，所以经过计算可知：当，压力最大时，=610、输出的电流信号 22 R =20mA。而 R 的值根据实验室常用的电阻取 47K

15、。 图 3.5V/I 转换电路 最后还需要连入两个二极管，选用常用的两个二极管 IN4148. 3.6 直流稳压电源 此电路为设计中的各运放提供稳定的直流稳压电源，图中 LM7812CT 是三端 稳压集成电路 IC 芯片元器件，它可以将 220V 交流电源转换为稳定的 12V 直流 稳压电源，其中 U+=12V,U-=-12V。 图 3.6 直流稳压电源电路图 第 4 章 仿真与分析 4.1 传感器电路 图 4.1 传感器放大电路 如图 4.1 所示，当膜片受到外力时，电阻值发生变化，从而电桥失去平衡， 此时+5V 直流电供电时的输出电压和经过放大后的电压，经过计算发现此时的传 感器放大电路的

16、增益为-19.17，与设计电路时的初衷（K=-19）基本相符， ，所以此电路符合设计。89 . 0 19 19-17.19 4.2 补偿电路 图 4.2 为当压力最大时的补偿电路，由图中万用表可知，当压力最大时输出 的电压值=8.281V，与设计初衷基本相符，所以设计合理。 图 4.2 补偿电路（压力最大时） 图 4.2 为当压力最大时的补偿电路，由图中万用表可知，当压力最大时输出 的电压值=8.32V，与设计初衷基本相符，所以设计合理。 图 4.3 补偿电路（压力=0） 图 4.3 为当压力=0 时的补偿电路仿真，由图中万用表可知，当压力=0 时输出 的电压值=1.6V，与设计初衷相同，所以

17、设计合理。 设计电路时，理论上通过计算可知补偿电路的输出值应为 1.68V 的电压信 号，而通过仿真可知，实际上补偿电路的输出电压范围是 1.6V8.32V，与设计初 衷基本相符，所以设计方案合理。 4.3 V/I 转换电路 图 4.4 V/I 转换电路（输入电压=1.6V） 图 4.4 为当输入电压为 1.6V 时，经过 V/I 转换电路转换后的输出电流如图万 用表示数=4mA。 图 4.5 V/I 转换电路（输入电压=8.32V） 图 4.5 为当输入电压为 8.32V 时经过 V/I 转换电路，转换后的输出电流如图 万用表示数=19.811mA。 通过仿真可知，实际上 V/I 转换电路的

18、输出电流范围是 419.811mA，与设计 初衷基本相符，所以设计方案合理。 第 5 章 课程设计总结 本次课程设计要求自行设计液体流量变速器可以在-30+80的环境下工作， 并且可以测量 01MPa 压力的流量大小，输出信号为 420mA 的电流信号。根据 设计要求，设计了本次电路：首先，根据硅膜片受力形变，使电阻阻值产生变化 的原理，设计了惠更斯电桥电路，将液体产生的压力转换为电压信号，然后由高 共模抑制比放大电路和二阶低通滤波电路对电桥输出的小电压值进行处理，最后 经过 V/I 转换电路，将处理后的电压值转换为 420mA 的电流信号输出系统，我 们可以由输出的电流信号的大小判断流量的大小。 通过计算，设计了电路，然后利用仿真软件对设计电路进行仿真，评估设计 电路是否符合要求，因此采用了 multisim12.0 对设计电路进行了相应电路的仿真， 并且对最后的总电路进行了仿真，经过检测发现，本次设计的电路基本符合当初 的设计初衷，总电路的输出电流信号的范围也是 420mA，因此本次电路设计基 本完成。 完成设计的中间经历了许多，也收获了许多。现在，设计电路基本完成，但 是其中仍然存在许多问题有待解决，比如：三运放高共模抑制比放大电路的增益 在设计时要求是