液態(tài)肥扭力靶式流量計的研制.pdf

1、我國農(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)展進程中具有深遠的戰(zhàn)略意義。變量施肥的最終目標(biāo)是根據(jù)土壤肥力和作物營養(yǎng)狀況實現(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)中流量計的流量值實時調(diào)節(jié)排肥口的出口流量。液態(tài)流量計種類繁多，且各有各的適用范圍。靶式流量計具有結(jié)構(gòu)簡

2、單、抗震動能力強、能測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)中的流量測量。當(dāng)前，靶式流量計主要有應(yīng)變式和電容式兩種。應(yīng)變式靶式流量計中的應(yīng)變片黏貼加工要求十分嚴格，容易出現(xiàn)零點漂移和溫度漂移;電容式靶式流量計在大量程比的測量范圍內(nèi)，信號輸出呈非線性，容易出現(xiàn)測量誤差甚至錯誤。針對上訴問題，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，以滿足液態(tài)肥變量施肥系統(tǒng)中流量測量的要求。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)流量測量的特點和靶式流量計的研究現(xiàn)狀，設(shè)計了一種液態(tài)肥扭力靶式流量計。采用新的力轉(zhuǎn)換方式（力—扭力管—應(yīng)變電壓）完成流量計結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在分析扭力靶式流量計測量原理的基礎(chǔ)上，建立了流體流量與應(yīng)變電壓呈開方關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。分析了扭力靶式流量計在測量過程中的誤差源，包括流體流通截面積的影響、靶片與測量管道不同心的影響、流體流動狀態(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、流量計測量原理，分析了不同靶片形狀和不同直徑比對扭力靶式流量計的壓力損失、靈敏度和分辨率的影響。利用Fluent軟件對不同靶片形狀（圓盤形、圓錐形、球形）和不同直徑比(0.5、0.6、0.7)的扭力靶式流量計的9組模型在8組不同流速下進行數(shù)值模擬仿真計算，對管道內(nèi)部流體流場、壓力損失和靶片受力進行分析，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)流量測量的特點，選出最優(yōu)的靶片形狀（

5、圓盤形）和直徑比(0.6)。
　　(3)根據(jù)扭力靶式流量計的工作原理和測量要求，設(shè)計了扭力靶式流量計的硬件電路。硬件電路由信號處理電路、電源系統(tǒng)電路、人機交互電路、電流輸出電路和串口通信電路等組成。詳細分析了STM32微處理器的特點;設(shè)計了擁有3.3V、5V、±12V、24V輸出的復(fù)雜電源電路;采用“一級放大+二階低通濾波+二級放大”的信號檢測電路設(shè)計思路對流量信號檢測電路進行設(shè)計;設(shè)計了人機交互電路、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)扭力靶式流量計的工作流程和系統(tǒng)需求，設(shè)計了扭力靶式流量計的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化程序、流量檢測程序、流量計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，分別實現(xiàn)每個子程序，最后由主程序調(diào)度子程序完成流量測量。流量檢測子程序中，采用軟件數(shù)字濾波技術(shù)，減小噪聲干

7、擾，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠采集;流量計算子程序中，針對流體密度變化對流量結(jié)果的影響，提出密度補償方法，提高流量計測量精度。
　　(5)對設(shè)計的扭力靶式流量計進行了性能校驗實驗。主要包括流量計標(biāo)定實驗、性能分析實驗、流體溫度變化驗證實驗和液態(tài)肥流量實驗。實驗結(jié)果表明:本文設(shè)計的扭力靶式流量計的測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，滿量程誤差在2.0％之內(nèi)，可測的最低流量為0.203m3/h，最高流量為3.986 m3/h，量程比達到20∶1，且流量測量精度受流體