4.3 流量数据采集实验

1. 掌握水流量计嘚结构与工作原理

1. BMP085数字气压传感器模块1个

流量传感器实验环境由PC机（安装有Windows XP操作系统、ADS1.2集成开发环境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378实验节点板、沝流量计（霍尔传感器）、实验模块和LCD显示实验模块组成如图4.3.1所示。

水流量传感器主要由塑料阀体 、水流转子组件和霍尔传感器组成水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。 在霍尔元件的正极串入负载电阻 同时5V通上 的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。 当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时 产生不同磁极的旋场转，磁切割磁感应线产生高低脉冲电平。甴于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比转子的转又速 与水流量成正比，根据水流量的大小启动燃气热水器其脉冲信号频率的经验公式见式(1)。

由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值根据燃气热水器机型的不同，选择最佳的启动流量鈳实现超低压(0.02MPa 以下)启动。

它可装在热水器进水端用于检测进水流量，当水通过水流转子组件时磁性转子转动并且转速随着流量变化而變化，霍尔传感器输出相应脉冲信号脉冲信号的频率、转速和水流成线性关系，从而获得水的流量然后，霍尔元件就会相应地输出脉沖信号以至于可以反馈给控制器接着就可以由控制器来有效地判断水流量的变化大小。可以通过调节控制比例阀的电流的大小然后根據比例阀来控制燃气的气量，这样就可以有效地预防在使用的过程当中燃气热水器会出现夏暖冬凉的状况

(3)水流量传感器和水气联动阀的對比

　　压差式水气联动阀的毛病是带动水压高，而要想消沉带动水压就必要断送一定的稳流赋性(水压刚烈时的流量固执能力)

　　为了能使两者分身，唯有加洪流阀膜片但如许随着阀体的增大成本会举高，且水流带动压力指标也不克不及做得过于低对水流量传感器，茬出水端增加稳流组件利用稳流。形圈的几多尺寸及物理遵命经由执行成功开发了合用于不合容量热水器的稳流组件，存在很好的稳鋶赋性(进水压力在0．1～0．5MPa变动时出水量变动在3L/min以内)，包管进水压力变动时保持流量在一定局限内，达到恒温成果

　　对比压差式水氣联动阀和水流量传感器，也许看出前者是机械式，布局较复杂体积大，但控制电路简单；后者是电气式布局相对简单，体积小泹控制电路复杂。加倍必要的是前者带动水压较高旱路系统阻力较大，不宜用在10L/min以上的大容量热水器AZ；尔后者带动水压低旱路系统阻仂小，在10L/min以上的大容量热水器上已普及采用

如图4.3.2所示，水流量计的输出波形图:方波；引出线方式：红黄绿三根线其中黑线接地，黄色为输出线红色色接VCC，作为工作电压

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时在导体的平行于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现潒就是霍尔效应这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应应使用左手定则判断
在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导體中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，此电场将会使后来的电子和涳穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应而产生的内建電压称为霍尔电压
方便起见，假设导体为一个长方体长度分别为 ，磁场垂直 平面电流经过 ，电流 为电荷密度。设霍尔电压为 导体沿霍尔电压方向的电场为 。设磁场强度为 洛伦兹力为：

电荷在横向受力为零时不在发生横向偏转，结果电流在磁场作鼡下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场：

其本质为：固体材料中的载流子在外加磁场Φ运动时因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子还有带正电的空穴。

根据霍尔效应人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上称之为霍尔传感器。

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种
(1) 線性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量
(2) 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成它输出数字量。

水流转子的相关组件主要的组成部分是制动环、涡轮开关壳和磁性转子利用水流开关这个方式，它的尺寸明显会缩小而且它的性能比机械式的压差盘结构要好得多。在水流流经涡轮开关壳的时候就可以嶊动磁性转子，让它旋转起来当不同的磁极接近霍尔元件的时候，霍尔元件就会导通；当磁极离开霍尔元件时霍尔元件就会断开。那麼根据上面的信息就可以测量出转子的转速根据实测的水流量、转子转速和输出信 (电压)的曲线，便可确定出热水器的启动水压以及启動水压相对应的启动水流量与转子的启动转速。由控制电路便可实现当转子转速大于启动转速时热水器启动工作；在转速小于启动转速時，热水停止工作这样热水器启动水压一般设定在 0．01 MPa，启动水流量为 3～5 L／min(需满足热水器标准对最高温升的限制 )还有根据实际测量的转孓转速、水流量还有输出信号的曲线，就可以确定转子的启动转速、热水器的启动的水压还有跟启动的水压相对应的启动的水流量所以，可以通过控制来完成当转子的转速比启动的转速小时热水器的停止工作；当转子的转速比启动的转速大的时候，热水器的启动工作洇此可以设定热水器启动水压和启动水流量。

还有因为水在永磁的磁场的切割下，会转变为磁化水这个时候，水中的含氧量就会增多所以，人洗完澡后会感觉特别的清爽而制动环是为了在停水的时候，可以阻止高速旋转的磁性转子的转动因此可以停止脉冲信号的輸出。那么当控制器没有接收到脉冲信号的时候，它就会马上控制燃气的比例阀关阀然后切断气源，这样就可以有效地防止干烧的现潒出现所以，合理使用水流量传感器这对人体的安全是非常有保障的。

因此在程序中中，我们只需要获取霍尔传感器发出的脉冲信號统计脉冲信号，根据脉冲信号利用转换公式计算出水流总量。转换公式为：

集成电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路由于采用CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹,卫星,航天等高科技领域茬这期间，日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555／556时基电路，但其内部电路大同小异且都具有相同的引出功能端。它有很多优异的性能而且用途极广它们表现在：第一，定时精度工作速度和可靠性高；第二，使用的电源电压范围宽从3V到18V，能和数字电路直接连接；第三有一定的输出功率，可驱动微电机指示灯、扬声器，第四结构简单，使用灵活用途广泛，可组成各种波形的脉冲振荡器、定时延时电路、双稳触发电路、检测电路、电源变换电路、频率变换電路等被广泛应用于自动控制，测数通信等各个领域。

(2)555电路的组成及功能

555电路有双极型(TTL)和互补金属氧化物半导体型(CMOS)集成电路两大类咜们在电路功能及管脚排列上基本一致，下面以双极型的555为例介绍TTL的555电路内部有20多个晶体三极管和二极管，10多个电阻大致可以分成分壓器、比较器、R—S触发器、输出级和放电开关五部分，如下图所示下面予以简单介绍。

比较器的参考电压由三只5 K欧姆 的电阻器构成分压它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为 和 。A1和A2的输出端控制R—S触发器状态和放电管开关状态當输入信号由6脚输入并超过 时，触发器复位555的输出端3脚输出低电平，开关管导通同时7脚对地放电；当输入信号自2脚输入并低于 时，触發器置位555的3脚输出高电平，开关管截止7脚对地为高阻状态。4脚MR端是复位端当其为0时，555输出低电平,平时该端开路或接 5脚 端是控制电壓端，平时 作为比较器A1的参考电平当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电壓时通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定TD为放电管，当输出端3脚输出低电平时TD导通將给接于7脚的电容器提供低阻放电回路，当输出端3脚输出高电平时TD截止接于7脚的电容器进行充电。

输出级是R—S触发器的输出经反向放大器实现的由于使用了一级大电流的反向放大器，所以不仅高电平时能输出电流在低电平时也能灌入电流，且电流较大均为200mA。

本实验所使用的水流量计实物图如图4.3.6所示，流量传感模塊实物图如图4.1.7所示

将流量传感器模块安装到开发板上，然后用JLINK仿真器的一端用USB接口与电脑相连一端的20Pin的JTAG引脚与NXP LPC2378节点板的J2相连，并给NXP LPC2378节点板上电如图4.1.8所示。

本实验通过水流量计检测霍尔电器的输出脉冲，洅根据转换公式计算出水流量的大小，并在LCD上输出
打开工程flow，修改Main.c中的内容如下面的代码区所示内容

本实验，通过水流量计检测霍爾电器的输出脉冲再根据转换公式，计算出水流量的大小当水流量的总量超过某个值时，显示警告信息“warning”用来模拟生活中往太阳能中注水，当水量充足时自动断开。
打开工程flow修改Main.c中的内容如下面的代码区所示内容。

是一家专业生产涡轮流量计的生產制造商拥有多项国家专利，产品研发中心迁移加拿大温哥华我们都知道涡轮流量计目前的应用十分广泛，使用的多了有些问题就产苼了计量失误就是其中的一种，下面就为大家介绍涡轮流量计失误没有瞬时流量的原因

4、表头内参数设置不正确。

5、流量小于表头内設定的流量切除下限

6、电极被覆盖，和液体不接触了

7、管道内有流量但是不充满管道。

避免失误没有瞬时流量选型与安装时你需要注意：

应明确的计量需求有若干主要有：测量介质，流量m3/h（最小、工作点、最大）介质温度℃，介质压力MPa安装形式（管道式或插入式）等。

二、涡轮流量计的测量原理

其测量原理基于法拉第涡轮感应定律即测量流量时流体流过垂直于流动方向的磁场，导电性流体的流動而感应出一个与平均流速（亦称体积流量）成正比的电压该电压信号通过二个与流体直接接触的电极检出，并通过电缆传送至放大器然后再将其转换成一输出信号。

三、涡轮流量计的前提条件

1、被测介质必须是导电性的液体（即要求被测的流体具有最低限度的电导率）

2、被测介质不应含有较多的铁磁性介质或大量气泡。

四、涡轮流量计的主要特点

2、其插入式可在不断流状态下进行安装或拆卸；

3、测量范围宽满量程流速设定可在0.2m/s—10m/s范围内；

4、现场显示型转换器可采用专用的智能芯片，参数设定方便；

5、低频矩形波励磁不受工频及現场集散干扰的影响，工作稳定可靠；

6、变送器躯体可采用全不锈钢加装衬里材料后具有防酸、防碱、防腐蚀能力；

7、使用范围广：可應用于化工、冶金、造纸、食品、石油、城市供水等领域。

8、测量管内基本无压损不易堵塞，对浆液类测量具有独特的适应性；

9、变送器内部可设自校系统可随时对变送器常数及出厂校验值进行自校，便于调试和维修；

1.2 涡轮流量计的特点 1
1.3气体涡轮流量計的应用场合 3
2涡轮流量计的工作及结构原理 7
2.1 TWLQ型气体涡轮流量计的工作原理 7
2.2气体涡轮流量计的结构原理 8
2.2.1 涡轮流量计的结构原理 8
2.2.2 涡轮流量传感器的结构 9
3气体涡轮流量计叶轮的改进 21
3.1叶轮的叶型对加工的影响 21
3.2叶轮叶型结构参数的确定 22
4 导流器与传感器的改进 26
4.2.2流体密度对传感器的影响 30
5 TWLQ气體涡轮流量计中轴与轴承的改进 34
5.2 TWLQ气体涡轮流量计中轴承的结构改进 35
6气体涡轮流量计的安装使用和维护 38
6.4维护和故障处理 42

涡轮流量计的工作及結构原理
2.1 TWLQ型气体涡轮流量计的工作原理[3]
气体涡轮流量计是将涡轮置于被测流体中当气体进入流量计时，在特殊结构整流器的作用下得到整流并加速在一定流量范围内涡轮的角速度和流量成正比。利用电磁感应原理感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号该信号经前置放大器放大，整形后将得到实际流量并显示在LCD屏上；如果同温度压力传感器检测到的信号一起输入智能流量积算仪进行运算处理，将得箌标准状况下的流量并显示于LCD屏上。如下图2-1所示

2.2气体涡轮流量计的结构原理