流量变送器设计大学本科毕业论文.doc

本科生课程设计（论文）

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：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4～20ｍA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:
测量范围：差压： 0 ～1.0Mpa或压力： 0～1MPa，被测介质为液体
输入信号：传感器输出可为脉冲信号、电压信号等；
输出信号：4～20ｍA电流信号；
环境温度：-30～+80°C； 传感器（敏感元件）：任意选择一种传感器
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
注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算

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4~20mA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章 课程设计总结 11
参考文献 12
附录Ⅰ 13
附录Ⅱ 14
附录Ⅲ 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4~20mA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4~20mA的电流信号输出。

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0~1MPa的液体进行流量检测，最终转换为4~20mA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：0～60Mpa；
工作温度：-55℃～125℃；
精度：0.5%～0.1%；
输出电压范围：0~350mV；
供电电压：推荐5V；
本次课程设计要求的压力测量范围为0~1Mpa，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
放大
流量
敏感元件
滤波
V/I转换
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1~5V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1~5V的电压信号转换为4~20mA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 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100Ω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100Ω~132.6Ω，因此选用200Ω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200Ω的电位器代替改变阻值的膜片，模拟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：
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)

而本次设计需要放大电路的增益为19，所以选择=10kΩ，=10kΩ，滑动变阻器阻值为10kΩ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10kΩ。
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、，而根据公式：
（3-2）
(3-3)
并结合实验室现有器材可以确定各器件参数：
，。

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4~20mA的电流信号。
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=9.25KΩ，输出为4mA，同时当输入电压=max时，要求输出电流=20mA，又因为当时，我们可以通过调节的阻值来控制输出的电流值，所以经过计算可知：当，压力最大时，=610Ω、输出的电流信号=20mA。而R的值根据实验室常用的电阻取47KΩ。
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。
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1.6~8V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1.6V~8.32V，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转换电路的输出电流范围是4~19.811mA，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0~1MPa压力的流量大小，输出信号为4~20mA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4~20mA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4~20mA，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22，但是经过仿真检验发现不是理论值的-19，而是-19.17，虽然存在误差是允许的；还有电路最终输出的结果理论上应该是4~20mA，但是仿真检验之后发现，输出电流信号的范围是4~19.811mA，这些都是以后有待改进的地方。同时，本次设计也是存在亮点的，比如三运放高共模抑制比放大电路的应用就是把书上的知识学以致用，同时利用了其失调电流、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的作用，提高了测量精度。
参考文献
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[3] 张毅，张宝芬编．自动检测技术及仪表控制技术[M]．化学工业出版社，2009. [4] 周泽魁编．控制仪表与计算机控制装置[M]．化学工业出版社，2009．
[5] 谭晓兰，刘珍妮，王峰等.硅压阻式传感器的优化分析[J]. 北方工业大学学报，2011.9
[6] 唐宇，陈大兴. 电子技术实践教程[M]. 成都：西安交通大学出版社，2009

附录Ⅰ

总电路图
附录Ⅱ

仿真总电路（压力最大时）

仿真总电路（压力最小时）

附录Ⅲ
器件清单

器件名称
数量（个）
200Ω电位器
1
100Ω电阻
3
1kΩ电位器
1
1KΩ电阻
5
47KΩ电阻
4
10KΩ电位器
2
OP07
5
10KΩ电阻
6
5KΩ电阻
4
IN4148
2
1μF电容
2

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