液態(tài)肥扭力靶式流量計(jì)的研制.pdf

1、我國(guó)農(nóng)業(yè)正從傳統(tǒng)的粗獷式向現(xiàn)代的精準(zhǔn)式發(fā)展，變量作業(yè)是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要手段。變量施肥能夠有效地減少環(huán)境污染，減少化肥投入量，提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，在現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。變量施肥的最終目標(biāo)是根據(jù)土壤肥力和作物營(yíng)養(yǎng)狀況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。在液態(tài)肥變量施肥控制系統(tǒng)中，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)施肥需要根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)施肥量和施肥系統(tǒng)中流量計(jì)的流量值實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排肥口的出口流量。液態(tài)流量計(jì)種類(lèi)繁多，且各有各的適用范圍。靶式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

2、單、抗震動(dòng)能力強(qiáng)、能測(cè)量高粘度和含有微小固體顆粒的流體等特性，適用于液態(tài)肥變量施肥系統(tǒng)中的流量測(cè)量。當(dāng)前，靶式流量計(jì)主要有應(yīng)變式和電容式兩種。應(yīng)變式靶式流量計(jì)中的應(yīng)變片黏貼加工要求十分嚴(yán)格，容易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移和溫度漂移;電容式靶式流量計(jì)在大量程比的測(cè)量范圍內(nèi)，信號(hào)輸出呈非線(xiàn)性，容易出現(xiàn)測(cè)量誤差甚至錯(cuò)誤。針對(duì)上訴問(wèn)題，本文提出一種采用新的力轉(zhuǎn)換方式的液態(tài)肥扭力靶式流量計(jì)，以滿(mǎn)足液態(tài)肥變量施肥系統(tǒng)中流量測(cè)量的要求。論文的主要研究工作如下:

3、r>　　(1)根據(jù)液態(tài)肥變量施肥系統(tǒng)流量測(cè)量的特點(diǎn)和靶式流量計(jì)的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種液態(tài)肥扭力靶式流量計(jì)。采用新的力轉(zhuǎn)換方式（力—扭力管—應(yīng)變電壓）完成流量計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在分析扭力靶式流量計(jì)測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，建立了流體流量與應(yīng)變電壓呈開(kāi)方關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。分析了扭力靶式流量計(jì)在測(cè)量過(guò)程中的誤差源，包括流體流通截面積的影響、靶片與測(cè)量管道不同心的影響、流體流動(dòng)狀態(tài)的影響以及流體密度的影響，并提出相應(yīng)的解決辦法。
　　(2)根據(jù)扭力靶式

4、流量計(jì)測(cè)量原理，分析了不同靶片形狀和不同直徑比對(duì)扭力靶式流量計(jì)的壓力損失、靈敏度和分辨率的影響。利用Fluent軟件對(duì)不同靶片形狀（圓盤(pán)形、圓錐形、球形）和不同直徑比(0.5、0.6、0.7)的扭力靶式流量計(jì)的9組模型在8組不同流速下進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，對(duì)管道內(nèi)部流體流場(chǎng)、壓力損失和靶片受力進(jìn)行分析，確定了不同靶片形狀和不同直徑比與扭力靶式流量計(jì)壓力損失、靈敏度和分辨率的關(guān)系。根據(jù)液態(tài)肥變量施肥系統(tǒng)流量測(cè)量的特點(diǎn)，選出最優(yōu)的靶片形狀（

5、圓盤(pán)形）和直徑比(0.6)。
　　(3)根據(jù)扭力靶式流量計(jì)的工作原理和測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了扭力靶式流量計(jì)的硬件電路。硬件電路由信號(hào)處理電路、電源系統(tǒng)電路、人機(jī)交互電路、電流輸出電路和串口通信電路等組成。詳細(xì)分析了STM32微處理器的特點(diǎn);設(shè)計(jì)了擁有3.3V、5V、±12V、24V輸出的復(fù)雜電源電路;采用“一級(jí)放大+二階低通濾波+二級(jí)放大”的信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)思路對(duì)流量信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)了人機(jī)交互電路、電流輸出電路以及串口通信電路

6、等相關(guān)電路;并針對(duì)硬件電路干擾提出了相應(yīng)的PCB抗干擾處理措施。
　　(4)根據(jù)扭力靶式流量計(jì)的工作流程和系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)了扭力靶式流量計(jì)的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化程序、流量檢測(cè)程序、流量計(jì)算程序和串口通信程序等組成。軟件系統(tǒng)采用“自頂向下”的模塊化設(shè)計(jì)方法。首先根據(jù)工作流程制定出整體方案，然后將需求功能劃分成子程序模塊，分別實(shí)現(xiàn)每個(gè)子程序，最后由主程序調(diào)度子程序完成流量測(cè)量。流量檢測(cè)子程序中，采用軟件數(shù)字濾波技術(shù)，減小噪聲干

7、擾，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠采集;流量計(jì)算子程序中，針對(duì)流體密度變化對(duì)流量結(jié)果的影響，提出密度補(bǔ)償方法，提高流量計(jì)測(cè)量精度。
　　(5)對(duì)設(shè)計(jì)的扭力靶式流量計(jì)進(jìn)行了性能校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。主要包括流量計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、性能分析實(shí)驗(yàn)、流體溫度變化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和液態(tài)肥流量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文設(shè)計(jì)的扭力靶式流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)量程誤差在2.0％之內(nèi)，可測(cè)的最低流量為0.203m3/h，最高流量為3.986 m3/h，量程比達(dá)到20∶1，且流量測(cè)量精度受流體