1 引言
流量的测量与控制在各个领域都非常重要并得到广泛应用。现有的流量传感器多种多样，它们的原理有电磁，超声波，涡轮，光纤，压力等，超声波式和涡轮式在各个领域得到普遍应用。然而，涡轮式有一个旋转叶轮直接与液体相接触、阻碍液体流动，它的过载能力不强，并受液体质量的影响；超声波法虽然没有直接接触流体但它的灵敏度不够高，对于低速、小流量很难被检测得到；电磁式通常只对导电性液体有效；压力式通常有一个阻碍部分在流管中，对微小流量也很难检测到。基于差压的流量测量理论是一个很成熟的理论，过去基于这理论的流量计大多采用机械的方式，其结构比较复杂。一种光学的流量测量技术被M。Richter提出，采用了光学显微镜进行观察，这种方法一来不便于操作，二为难以实现自动控制。为此，我们提出了一种差压式的液体流量测量的原理和方法，这种方法与旧的流量计比较有以下的优点：1）结构简单，2）量程宽，3）灵敏度和精确度高，4）成本低。本文设计和制造了这种差压式液体流量传感器，并利用增压泵进行了标定实验。大量实验表明这种方法对液体测量是切实可行。
2 传感器结构和测量原理
差压式液体流量传感器的结构如图1所示，主要由导液管和差压式压力传感器组成。这个特殊结构的导液管由我们自行设计，差压传感器是由Honeywell公司生产的26PCC传感器。此导液管由输入管、节流管、输出管和两个取压管组成，两个取压管由输入管和输出管引出，用于引出节流管两端的压力差。导液管可由玻璃、塑料、金属等材料制成。
输入管和输出管的内径比节流管大，取压管的内径通常最小。如图1所示，输入管、节流管和输出管被连接成“一”字型，取压管被对称地接在输入管与输出管上。差压式压力传
感器通过气管被连在两取压管上。当有液体流过导液管时，输入管与输出管之间会产生的压力差，输入管压力大于输出管的压力。由差压式传感器检测这个压力差，并转换成电压信号。
另外，压力差随差通过导液管的单位时间内液体流量（流速）的变化而变化，其关系可由以下等式来表达
其中，Qv为单位时间的体积流量，
α为流量计的转换系数，
Y为流体澎胀率，对于液体Y=1，
g为当地重力加速度，
P1-P2为输入管与输出管之间的压力差，
ρ为流体密度
等式（1）为用体积流量来表示，也可转换为质量流量表示，如式（2）
其中，Qm差压流量计的质量流量，其常与（1）相同。
从等（1）和（2）可以清楚地看到当α，Y，g和ρ不变时，流量与压力差的平方根成正比。流量转换系数α是很复杂的一个常数，它决定于传感器的结构和方法，比如与获取压力的方式和位置等因素有关。
3 压力传感器原理及调理电路
本装置采用了由Honeywell公司生产的现有压力传感器如图2所示。其内部电路主要是由四个应变片电阻线成的一个惠斯通电桥电路组成。我们采用了型号为26PCBFA6D型压力传感器，其量程为从0到34.445kPa，本压力传感器具有很高的灵敏度、线性度和稳定性，另外还有过载能力强和温度补偿功能。
为了使用本压力传感，对它进行性能测试。将它接上透明的水管，用水柱高做压力，用高灵敏度数字万用表测量电压，传感器接上12V电压。实验结果如图3所示，由图可知，输出电压与压力差完全是线性关系。可以用以下等式来表示。
V=K1·△P （3）
其中△P是液管输入口与输出口之间的压力差，△P=P1-P2，K1是比例常数。
为了提高传感器的灵敏度，采用了一个仪表放大电路如图4所示。图中使R1=R2=R3=R4=R5=R6，放大电路的输入端接压力传感器的输出，其输出接一个12位的ADC转换器。放大电路的增益可以用等式（4）来表示。
其中，Av是放大电路增益，所以有
Vo=Av·K1·△P=K·△P （5）
在上式中令K=Av·K1，Vo是放大电路输出电压。结合等式（1），（3），（5），流过导液管的液体体积流量和所对应的电压有以下关系：
由等式（6）可以清楚地看出体积流量与放大电路输出电压的平方根成正比。
4 实验与标定
为了证明所提出的方法的可行性，我们完成了大量的实验，并对所设计的传感器进行了实验标定。实验装置主要由被设计的流量传感器、增压泵、水阀、量筒和水池等组成，如图5所示。另外还采用了一套单片机控制系统。为了简化实验过程，我们把水当作测试样品。
在实验系统中，所设计的导液管输入管和输出管内径为6mm，节流管内径为4mm，节流管长7cm，两个取压管内径为2mm；压力传感器采用了26PCBFA6D型，放大电路放大倍数约为37dB；单片机控制系统采用了ATmega16作为微处理器和MAX187（12位）作AD转换器。单片机控制器主要有计时、电压采样、流量处理、流量累计和显示等功能。在水温为25℃的条件下，当水流过导液管时，固定流速不变，用单片机计时、采集放大电路输出的电压，同时用量筒测量某一时间内流过水的体积。调节水阀改变流速，重复操作。把每秒的体积流量作为横坐标，所对应的电压作为纵坐标，实验曲线如图6所示。
由图6可知，拟合曲线与实验所测得的数据相关性相当好，所得的拟合曲线是二次曲线，如等式（7）所表达。
经过多次的上述重复实验，实验结果表明实验重复性和稳定性好，拟合分析表明实际曲线与理论计算曲线相一致。用微处理器检测传感器放大电路所输出的电压Vo，即可通过软件计算出相应电压的流量Qv，设计成差压式流量计。
5 结论
本文作者创新之处是提出了一种基于差压法新型液体流量传感器，阐述了其基本原理和方法，完成了在一定温度下对某一特定尺寸的传感器的标定实验。实验结果表明所制造的传感器能够被液体流量，实际检测的流速范围从5到170ml/s。通过改变压力传感器的型号、放大电路的增益和导液管的尺寸，很容易提高灵敏度和扩展传感器的量程范围。此外，所提出原理和所设计的传感器还具有以下优点：
在这种传感器的管内没有移动部件和阻流部件；
利用了导液管的差压原理而设计；
导液管结构简单，稳定性好，经久耐用；
这种传感器的灵敏度和精确度高，量程宽；
制造简单，成本低。
这种传感器可广泛应用于医学、化学、石油、工业和农业等领域。通过不同的标定也可用于气体的流量测量。
参考文献
[1]E。Hristoforou，I。N。Avaritsiotis，H。Chiriac，Newflowmetersbasedonamorphousmagneticwires，SensorsandActuatorsPhysicalA，1997，59：94-96。
[2]曹金亮。电磁流量计空管检测方法研究[J]。仪器仪表学报，2006，27（6）：643-647。
[3]沈金鹏，林德杰，万频。基于超声波传感器的液氮流量测控系统[J]。微计算机信息，2007，23（2-2）：104-105。
[4]王彥芳，王小平，宋万民等。时差法超声波流量计的高精度测量技术[J]。微计算机信息，2006，22（6-1）：198-200。
[5]李文。涡轮流量计在正弦脉动气体流下的测量误差。计量学报，2006，27（1）：43-45。
[6]Z。Yong，C。Kun，Y。Jian，NoveltargettypeflowmeterbasedonadifferentialfiberBragggratingsensor，Measurement，2005，38：230-235。
[7]ChrisJ。Swanson，KrisJohnson，RussellJ。Donnelly，Anaccuratedifferentialpressuregaugeforuseinliquidandgaseoushelium，CryogeNIcs，1998，38：673-677。
[8]M。Richter，P。Woias，D。WeiB，Microchannelsforapplicationsinliquiddosingandflow-ratemeasurement，SensorsandActuatorsPhysicalA，1997，62：480-483。
[9]J。M。Salch，FluidFlowHandbook（translatedbyDunxiaDeng），Sinopecpress，Beijing，2004，1stedn。，p。258-262。
