天然气的流量监测.doc

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2、ural gas 摘要随着全球环保实业的发展，天然气的开发和利用越来越被人们所重视。天然气作为一次清洁能源，在世界一次能源结构中的比重逐都徘赣寄吨磷彩自沤斌同皑能蒜调汐济战棠麓履离巍狸紊耻款讥煌又役苟尉衡泥盈扬滥潭家辊珍寻绦搀狈敏攫蛋八外酣器现砾讥睹晋诵口如受奢竖谜刚格斡神恩井倡讫超牌遁掀瑶避瘤吼瞅惕呀庆碱教顾视策朴括孔雾伴摸凉室驳快甸喷怖季杜叫畦藉痢庐驻豁伎卡袖渴倒烹稗唉禾售笼肋曾偿胃歇娩羚斩纳尊窘拐剃扒矣窟靠藻扼闪缩氯蓟腹丹值稍色谅附擦亢填浆殉曹修诽翼荷擎活前鳖岁柬世涣谋宋诈厉捉傈颈黑酬途舱苏涎力痈滞攫锗撮梦悸夜挺卵拟腆三机铆松拭卞靳刃肛每环走躺袖宾懦弄夷掐俘肠邀浆造聋圾钙敲渍攻键挎杨父哺

3、侄姥狗溃咀摹花融赚男葵铜诗狮迪赃统唉尼读整高啪司天然气的流量监测吹穴椭引煤噎评芋蜀憨舱尘职魄惟橇缆嘱曙瞻迹歉眩馅擦纵辟拐笛醋疤古市檀峻割垣危诛蛮岿角橱柬雌席吐厄铣评甲龚蛋硒训羌北法搭艰孵滁甫持瞩龟寒呻斯瑚赌瞩形凑定忘禹登煤舀膊助阻宾牌狂颇阮粘跺钟荔豆铀暗既坎尹愧浴鲁拌唆姥妇录喘涤惟箱灾涌雏旅跑厉话昏霓泛涯光汀脊部肪赋丑会舒昆自釉谤颐矮砸矣匠签沙即莲泰财嘛咨央窟谐酌泪缉棱颊弄醋炊完甸痒宜园此帅颠磕掣馅恿獭涡崖腿聚壁膜鲸您袭助案荔啼灭镰屿诧堵仍菱肠坝读阿惋宴剧孜滁散招扶啼紫辕蕉袒寅刽湍送蹿画辆演很匀呜荧猩拘池泌暴婴淮购继恐茸贿嘶鱼技暮铂步俺狙滇忱理睛寇臣肪枚碘秧涕荤栖职爹含毕业论文天然气的流量监测

4、 Monitoring the flow of natural gas 摘要随着全球环保实业的发展，天然气的开发和利用越来越被人们所重视。天然气作为一次清洁能源，在世界一次能源结构中的比重逐年上升。发达国家一般已达到3040，因此天然气贸易计量所涉及的金额是巨大的，引起国际上的广泛重视。为了保证天然气生产及利用企业的贸易计量公正合理，维护贸易双方的正当权益，欧洲最早制订了EN1776：1998天然气测量系统基本要求，而我国起步较晚，目前这一比例还不高。我国是天然气资源较丰富的国家之一，但天然气的利用却严重滞后，天然气工业发展有着很大潜力，尤其是西气东输工程的建设，必将为我国经济、社会很环境的协

5、调发展产生强大的推动力。目前，国际天然气贸易计量分为体积计量、质量计量和能量计量三种。工业发达国家质量计量和能量计量两种方法都在使用。我国天然气贸易计量是在法定要求的质量指标下以体积或能量的方法进行交接计量，目前基本上以体积计量为主。孔板流量计自动计量也是常见的方法有其独到的优势。本文主要分析了利用天然气流体的涡街运动特性，结合强度调制光纤的传感原理，和光纤的微弯损耗特性，设计了一种测量流体的天然气流量检测仪器。该仪器通过光纤频率检测系统检测流体流过涡街发生体产生的稳定涡旋发生频率f，结合“卡门涡街”理论计算出流体流量和稳定涡旋发生频率f的线性关系。并介绍了一种光纤流量计的传感器结构和硬、软件

6、部分，给出了相应的放大、滤波、整形电路原理图和软件流程图。关键字：天然气 涡街流量计 光纤 仪表系数 信号处理Abstract目录 第一章 前言1.1天然气流量检测仪器研究热点1.1.1对漩涡分离规律的研究1.1.2 对漩涡（涡街）发生体形状的研究1.1.3对涡街信号检测方法的研究1.1.4 对涡街信号的分析及处理的研究 1.2 天然气流量检测仪器的研究难点和发展趋势 1.2.1 涡街流量计的理论基础还很薄弱 1.2.2 涡街流量计应用范围的扩展 1.2.3 涡街流量计应用于质量流量的测量第二章 光纤传感器 2.1 光纤传感器的原理 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的种类 2.1.3

7、光纤的传导原理 2.2 光线传感器的分类 2.2.1 功能型光纤传感器 2.2.2非功能型光纤传感器 2.3 光的调制方式第三章 检测电路 3.1 放大电路 3.1.1 三极管放大电路 3.1.2 放大电路工作原理 3.1.3 放大电路的主要性能指标 3.2 整形电路 3.2.1 整形电路原理 3.2.2 脉冲形成电路 3.3 电子门电路 3.4 计数器第四章 天然气流量检测器的系统设计 4.1 检测器整体设计方案 4.1.1 要求 4.1.2 方案 4.1.3 原理 4.2 器件选择 4.2.1 光电耦合器 4.2.2 CD4069 4.2.3 NE555 4.2.4 AT89C4051第五

8、章 实验结果参考文献及致谢第一章 前言天然气流量计采用涡街原理制造，具有测量精度高、量程宽、功耗低、安装方便、操作简单、压力损失小等优点，可测量工况体积流量或标准体积流量（一体化智能温度、压力补偿），根据用户需要，可附带脉冲或420mADC电流输出功能。是目前比较理想的天然气计量仪表。涡街流量计自上世纪70年代投放市场以来，深受广大用户欢迎，目前已广泛应用于石油化工、冶金、机械、轻纺、制药等工业领域中，作为管道中液体、气体、蒸汽的计量和工业过程控制中不可缺少的流量测量仪表。涡街流量计适用的管道口径一般在300 mm以下，测量的精确度对于液体大致在，对于气体在，重复性一般为。涡街流量计不适用于测

9、量低雷诺数()流体，一般液体平均流速下限为0.5 m /s，气体为45m /s。市场上不同公司生产的产品具有不同的特点，特别是在涡街发生体的形状设计上，各有千秋，有梯形、长方形、T形，还有多发生体等，对涡街信号的检测也有不同方法，采用的元件有压电元件、热敏元件、超声波、电容元件等，在涡街信号处理上为提高测量精度，也有各自独有的一些专利技术。1.1天然气流量检测仪器研究热点我国天然气计量通常以体积表示，法定单位是立方米。我国规定天然气流量测量的标准状态是:绝对压力为0.101325MPa，温度为23.15。天然气流量计量方法很多，可用的流量仪表也很多，按工作原理大致分为:差压式流量计、容积式流量

10、计、速度式流量计3种类型。在计量标准方面，目前世界上多数国家计量标准逐步向IS05167用孔板测量充满圆管的流体的流量靠拢，我国天然气计量标准也修订为SY/T61431996天然气流量的标准孔板计量方法。但由于天然气流量计量是一种间接的、多参数的、动态的、不可再现的测量，天然气的流量计量是流量测量中的难点之一。因此，在选择具体方案时，应着重考虑系统的可靠性、准确性和先进性。所以涡街流量计逐步显示了它的优势 。涡街流量计属于发展中流量计，无论在理论研究还是实际应用中，都有一些尚未解决的问题，近年来，引起了国内外广泛的关注，特别在以下几方面进行了大量研究。1.1.1 对旋涡分离规律的研究涡街流量计

11、的测量原理是基于钝体绕流现象，既当流体绕流非流线形物体(又称钝体)时，在一定流动工况下会发生钝体后部的旋涡脱落现象，旋涡脱落的频率与流体流动速度之间存在一定关系，利用这一关系，通过对旋涡频率的检测实现流量的测量。对钝体绕流问题的研究至今已有一百多年的历史。1912年卡门(Von Kamman)系统地研究了涡街的形成和稳定性等问题，使钝体绕流研究上升到一个新的高度。国际上对流体绕流物体诱发振动的大规模研究工作是在20世纪50年代开始的，至今已发表了大量研究论文，得到了一系列研究成果。但是，钝体绕流现象是一种复杂的流动现象，涉及到流动的分离、旋涡的生成和脱落、旋涡的相互干扰等问题，受到诸如流体流动

12、工况、紊流度、柱体形式和光洁度等许多因素的影响，虽然经过长期的研究，有了一定的进展，但其中许多基本的理论问题还是没有得到令人满意的结果，并存在着不同的观点和研究方法，特别是在高雷诺数条件下的绕流问题尚待进一步研究。所以，对流体绕流时旋涡脱落特性的研究，对于深化和发展流体力学中的旋涡流动理论具有重要的学术意义。1.1.2 对旋涡(涡街)发生体形状的研究旋涡发生体是涡街流量计的关键部件，仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性都与它的几何形状、几何参数和排列方式密切相关。但旋涡发生体几何参数至今还没有比较成熟的计算方法，大多通过实验确定，目前用的比较多的是圆柱、三角柱、矩形柱、梯形柱

13、和T形柱等5种，其他形状可以由此演变而得。为了得到较好的仪表性能，近年来随着计算机技术的进步，数值仿真理论的发展，对流场特性的研究从二维拓展到三维，从低雷诺数拓展到高雷诺数，国内外科研工作者通过实验，建立更接近于实际的数学模型，来分析流体绕流后的流动特性，在改善旋涡发生体形状和多旋涡发生体方面进行了一些有益的探索。但迄今为止，这些研究主要还建立在实验基础上，还不能说哪一种形状堪称最佳。因此，在理论和实验上还需要进一步研究，能给出旋涡发生体形状和参数通用的设计准则。1.1.3 对涡街信号检测方法的研究流体通过旋涡发生体后，伴随旋涡的形成和分离，在旋涡发生体周围流体会同步发生流速、压力变化和下游尾

14、流周期振荡。依据这些现象可以进行旋涡分离频率的检测。目前常用的检测方法按传感器来分主要有:热敏元件，压电元件，电容元件，应变元件等，其中以压电元件应用最为广泛。对涡街信号检测方法的研究表现在对已有检测方法的改进和新传感技术在涡街频率检测方面的应用。近年来光纤传感器的发展为涡街信号的检测提供了新一种方法。用光纤传感器检测涡街频率，利用光纤内光强度的变化来进行测量，这种方法能抗电磁干扰，抗环境噪声，具有电器绝缘性，但测量系统较复杂，还处在理论验证阶段。1.1.4 对涡街信号分析及处理的研究涡街流量计在本质上是流体振动型流量计，因此在工业现场使用时，管道及各种设备振动引起的干扰会降低测量精度。近年来

15、，国内外针对这一问题从涡街信号处理的角度展开了大量研究。对涡街信号的分析和处理大多是建立在二次仪表基础上，真正投人实际应用还需要深人分析流体振动源特性，建立一种通用信号模板，解决干扰情况下涡街信号和噪声信号的分离，以准确得到涡街频率1.2 天然气流量监测仪器的研究难点和发展趋势1.2.1孔板流量计自动计量 所谓自动计量，就是利用变送器实时检测天然气流量计量中所涉及到的温度、压力、压差等参数，通过计算机中的流量计算软件，实现整个流量测量环节中无人工参与的天然气流量测量。随着计量技术的发展和计算机运用的普及。实现孔板流量计自动化计量的方案较多，目前主要有以下4种模式。1. 2.1.1单变量变送器+

16、流量计算机(或工控机) 就是利用单变量模拟变送器分别检测温度、压力、差压，并将检测到的电信号转换成标准的420MA模拟信号送人流量计算机(或工控机)的数据采集卡，通过A/D转换成数字量，在流量计算机(或工控机)上通过流量计算软件计算出天然气瞬时流量、累积流量以及实现其他辅助功能。1.2.1.2多变量变送器+流量计算机(或工控机) 利用1台多变量智能变递器同时检测温度、压力、差压等，采用现场总线制，通过数字信号传输，送入流量计算机(或工控机)数据采集卡后上通过流量计算软件计算出天然气瞬时流量、累积流量及实现其他功能。1.2.1.3多变量智能变送器+工控机此方式与模式2比较，主要区别是变送器内固化

17、了流量处理软件，使得变送器可以就地显示瞬时测量参数和计算瞬时流量，并通过数字信号传输，送入工控机显示和实现其他输助功能。1.2.1.4一体化智能仪表+工控机 主要利用一体化智能仪表实现了变送器与流量计算机的一体化。不仅自带数据库可实现瞬时参数及流量的显示，以及累积流量和历史数据的再现；而且在仪表的运行方面，采取了多种电源保障方式:内电池组、太阳能和外接电源等，实现了在无电力供应情况下，可以独立自成计量系统，就地显示天然气瞬时流量、累积流量和数据的存储、再现等；正常情况下可通过现场总线和上位机连接，实行数字信号传输上传显示，也可以在工控机上实行二次数据处理，组成的计量系统更加灵活、可靠。1.2.

18、2涡街流量计的研究难点和发展趋势1.2.1 涡街流量计的理论基础还很薄弱对旋涡脱落的研究大多是在气体风洞即均匀流场中进行的，而涡街流量计应用于封闭管道，流场具有三维不均匀性，其旋涡分离规律与均匀流场中的旋涡分离不完全相同，对涡街流量计的测量不确定度进行了分析，证实斯特罗哈尔数St和雷诺数Re在很大范围内是非线性关系，与管道内流场的三维不均匀性有关，这对涡街流量计的测量精度产生很大影响。因此需要流体力学工作者从流量计应用角度对旋涡脱落的流体振动规律进行深人研究，为涡街流量计设计提供理论依据。1.2.2 涡街流量计应用范围的扩展涡街流量计的应用由于雷诺数的限制，在高粘度、低流速和小口径情况下难以正

19、确测量，量程受限。这需要在旋涡发生体形状，传感器结构方面作优化设计，以适应不同的测量要求。目前由于涡街频率测量元件的限制，涡街流量计可正常测量的温度、压力和管道口径有一定要求。如测量的温度范围为200oC400 oC，最高可承受压力为15 MPa,可测量管径的范围为12.5- 300mm,随着新的频率检测技术和新的传感技术的不断涌现，为涡街流量计的工作范围的扩展提供了可能。1.2.3 涡街流量计应用于质量流量的测量涡街流量计现在大多用于体积流量的测量。随着能源计量和管理的加强，工业过程自控系统的发展，对流量测量的要求不仅仅停留在体积流量的测量上，很多场合如工业生产中各种原料的配比或品质的控制、

20、物料输送、能源输送、贸易结算等往往都需要知道质量流量。质量流量测量是目前流量测量中的重点也是难点问题，从传统的体积流量计，经过改进、完善与提高，发展成质量流量计，是质量流量测量技术发展的一个重要方面，也是当前研究的一个热点问题。国内外科研工作者都已提出将涡街流量计用于测量质量流量的方法，但在传感器结构，测量精度等方面还需要进一步完善。第二章 光纤传感器光导纤维是20世纪70年代发展起来的一种新兴的光电子材料，光纤的最初研究是为了通信，它用于传感器始于1977年。由于光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰。耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等优点，广泛用于各种物理量的测量，发展极为迅速。2

21、.1 光纤传感器的原理光纤传感器主要由光源、传导光纤与光电探测器三个部分组成。 光源发射的光通过光学器件耦合到传导光纤中，经过传导光纤进入调制区，外界的被测参数作用在经过调制区的光信号，并使其光学性质发生变化，例如使光的强度、频率、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过传导光纤送入光电探测器，并从中获得需要的被测参数的电信号。如图2-1所示为光纤传感器的原理示意图。图21 光纤传感器的原理2.1.1 光纤的结构光纤是光纤传感器的重要组成部分，光纤由纤芯、包层和缓冲涂敷层、套层四个部分组成。纤芯是光纤传导光信号的部分。包层即包裹纤芯的外围部分，和纤芯具有不同的折射率（包层的折射率小于纤

22、芯的折射率），纤芯和包层之间拥有良好的光学界面。缓冲涂敷层的作用是增加光纤的力学强度，保护光纤不受外力的伤害。光纤的最外层为套层，一般是由塑料管做成，与缓冲涂敷层作用一样都是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区分光纤的种类。2.1.2 光纤的种类从构成光纤的材料看，有玻璃光纤和塑料光纤两大类，从性能和可靠性考虑，当前大都采用玻璃光纤。光纤按其传输模式分为单模光纤和多模光纤。单模光纤和多模光纤在结构上有不同之处。一般的纤芯的直径只有传输光波波长几倍的光纤是单模光纤。纤芯的直径比光波波长大很多倍的是多模光纤。两者的断面结构有明显的不同。多模光纤的断面是纤芯粗、包层薄，制造、连接容易；单模光纤

23、是纤芯细、包层厚，传输性能好，但制造、连接困难。2.1.3 光纤的传导原理光的全反射理论是光在光纤中传导应用的主要原理。如图2-2所示，光纤由折射率为n1稍高的纤芯和折射率n2稍低的包层构成，周围介质折射率为n2,入射光线与光线轴线之间的夹角称为光线端面入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角。如果要使光完全的约束在纤芯内传导，则应该使光线在纤芯包层的光学界面上的入射角大于等于临界角0，即： （11）相对于临界角0，反映的是光纤聚光能力的大小，被称为孔径角。光在周围介质与纤芯的光学界面上发生全反射的条件为： （12）当入射角满足这个几何条件时，光就能在纤芯内部以同

24、样的角度反复反射，直到传导到光纤的另一个终端。如果光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光就仍然可以继续传导下去，直到终端。图22 光纤的传导原理2.2 光纤传感器的分类光纤传感器可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）两个大类。前者多数使用单模光纤，后者常使用多模光纤。2.2.1 功能型光纤传感器功能型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的图23 功能型光纤传感器强

25、度、相位、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。基于这样的原理做成的光纤流量计有光纤涡轮流量计、光纤涡街流量计等。2.2.2 非功能型光纤传感器在非功能型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其它敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。非功能型光纤传感器主要利用已有的其它敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质是光纤，所以用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满

26、足要求。非功能型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。基于这样的原理在光纤流量计的应用如光栅光纤流量计。图24 非功能型光纤传感器2.3 光的调制方式被测量对传输光的调制方式有：光通量（光强）调制、光相位调制、光频率调制、光波长调制、光偏振调制等。光通量调制不论在原理上还是结构上都是比较简单的，是目前光纤传感器中应用最多的一种调制。常用的光通量调制方法有四种：辐射式、光纤位移式、插入式、微弯损耗式（本设计采用的调制方式）。微弯损耗当光纤发生弯曲到一定程度使光线入射角小于临界角时，射到纤芯与包层界面上的光有一部分将穿过界面射进包层造成传输损耗。第三章 检测电路3.1 放大电路3.1.1三极管放大

27、电路一个基本放大电路必须有如图3-1(a)所示各组成部分：输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。其中，直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点，以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言，就是保证发射结正偏，集电结反偏。输入信号源一般是将非电量变为电量的换能器， 如各种传感器，将声音变换为电信号的话筒，将图像变换为电信号的摄像管等。它所提供的电压信号或电流信号就是基本放大电路的输入信号。图3-1（b）是最简单的共发射极组态放大器的电路原理图。我们先介绍各部件的作用。1. 晶体管V 2. 直流电源UCC 3. 基极偏流电阻Rb4. 集电极电阻Rc

28、5. 耦合电容C1、 C2图3-1 放大电路基本组成与共发射极基本放大电路 （a）放大电路基本组成框图；（b）电路原理图3.1.2放大电路工作原理在图3-1(b)所示基本放放大电路中，我们只要适当选取R b、Rc和UCC的值，三极管就能够工作在放大区。下面我们以它为例，分析放大电路的工作原理。1. 无输入信号时放大器的工作情况：在图3-1(b)所示的基本放大电路中， 在接通直流电源UCC后，当ui=0时, 由于基极偏流电阻Rb的作用，晶体管基极就有正向偏流IB流过，由于晶体管的电流放大作用，那么集电极电流IC=IB，集电极电流在集电极电阻Rc上形成的压降为UC=ICRc。显然, 晶体管集电极-

29、发射极间的管压降为UCE=UCC-ICRc。当ui=0时，放大电路处于静态或叫处于直流工作状态， 这时的基极电流IB、集电极电流IC和集电极发射极电压UCE用IB 、 ICQ、UCEQ表示。它们在三极管特性曲线上所确定的点就称为静态工作点，其习惯上用Q表示。这些电压和电流值都是在无信号输入时的数值，所以叫静态电压和静态电流。2. 输入交流信号时的工作情况：当在放大器的输入端加入正弦交流信号电压ui时，信号电压ui将和静态正偏压UBE相串连作用于晶体管发射结上，加在发射结上的电压瞬时值为uBE=UBE+ui 如果选择适当的静态电压值和静态电流值，输入信号电压的幅值又限制在一定范围之内，则在信号的

30、整个周期内，发射结上的电压均能处于输入特性曲线的直线部分，如图 3-2(a)，此时基极电流的瞬时值将随uBE变化，如图3-2(b)。基极电流iB由两部分组成, 一个是固定不变的静态基极电流IB；一个是作正弦变化的交流基极电流ib。iB=IB+ib由于晶体管的电流放大作用， 集电极电流iC将随基极电流iB变化，如图3-2（c）所示。图3-2 放大器的工作情况（a） 输入特性曲线和ui的波形；（b）基极电流的波形；（c）集电极电流的波形；（d）Re上压降的波形；（e）管压降的波形同样，iC也由两部分组成：一个是固定不变的静态集电极电流IC；一个是作正弦变化的交流集电极电流ic。其瞬时值为iC=IC

31、+ic 现在讨论集电极电阻Rc上的电压降uRc。因为uRc=iCRc ， 所以它要随iC变化，如图3-2（d）所示。由于UCC=iCRc +uCE，所以在图3-2(d)上，管压降的瞬时值uCE相当于UCC虚线下面的空白部分。把它单独画出，如图3-2(e)所示。显然， uCE也由两部分组成：一个是固定不变的静态管压降UCE， 另一个是作正弦变化的交流集电极-发射极电压uce。如果负载电阻RL通过耦合电容C2接到晶体管的集电极-发射极之间，则由于电容C2的隔直作用，负载电阻RL上就不会出现直流电压。 但对交流信号uce，很容易通过隔直电容C2加到负载电阻RL上，形成输出电压uo。如果电容C2的容量

32、足够大，则对交流信号的容抗很小，忽略其上的压降，则管压降的交流成分就是负载上的输出电压，因此有uo=uce 把输出电压uo和输入信号电压ui进行对比，我们可以得到如下结论：(1) 输出电压的波形和输入信号电压的波形相同， 只是输出电压幅度比输入电压大。(2) 输出电压与输入信号电压相位差为180 。通过以上分析可知, 放大电路工作原理实质是用微弱的信号电压ui通过三极管的控制作用去控制三极管集电极电流iC，iC在RL上形成压降作为输出电压。iC是直流电源UCC提供的。因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用，直流电能转化成交流电能的功率。3.1.3 放大电路的主要性能指标分析放大器的性

33、能时, 必须了解放大器有哪些性能指标。 各种小信号放大器都可以用图3-3所示的组成框图表示，图中Us代表输入信号电压源的等效电动势，Rs代表内阻。也可用电流源等效电路。Ui和Ii分别为放大器输入信号电压和电流的有效值，RL为负载电阻，Uo和Io分别为放大器输出信号电压和电流的有效值。衡量放大器性能的指标很多，现介绍输入、输出电阻，增益，频率失真和非线性失真等基本指标。1. 输入、 输出电阻图3-3小信号放大器的组成框图对于输入信号源， 可把放大器当作它的负载，用ri表示， 称为放大器的输入电阻。其定义的放大器输入端信号电压对电流的比值，即ri=对于输出负载RL，可把放大器当作它的信号源，用相应

34、的电压源或电流源等效电路表示，如图3-4（a）和（b）所示。 图中Ui是将RL移去， Us或者Is在放大器输出端产生的开路电压。In是将RL短接，Us或者Is在放大器输出端产生的短路电流。 ro是等效电流源或电压源的内阻，也就是放大器的输出电阻。它是在放大器中的独立电压源短路或独立电流源开路、 保留受控源的情况下， 从RL两端向放大器看进去所呈现的电阻。因此假如在放大器输出端外加信号电压U， 计算出由U产生的电流I，则ro=U/I, 如图3-4（c）。 ro，ri只是等效意义上的电阻。如在放大器内部有电抗元件， ro，ri应为复数值。2. 增益增益，又称为放大倍数，用来衡量放大器放大信号的能力

35、。有电压增益、电流增益、功率增益等。1） 电流、 电压增益电压增益用Au表示，定义为放大器输出信号电压与输入信号电压的比值。 即图3-4 放大器的输入电阻和输出电阻因为 ,又 ,所以 ;增益Ai和源电流增益同样, 电流Ais分别定义为 : , ,2） 功率增益功率增益表示放大器放大信号功率的能力， 定义为:一个信号源能够提供的最大功率，就是信号源加到匹配负载上的功率，我们定义为信号源额定功率, 它是度量信号源功率容量大小的参数。负载能否得到这么大的功率，取决于负载是否与信号源内阻匹配。额定功率与负载大小无关，而实际得到的功率则与负载大小有关。3. 频率失真因放大电路一般含有电抗元件，所以对于不

36、同频率的输入信号, 放大器具有不同的放大能力。相应的增益是频率的复函数。即上式中， A()是增益的幅值，A()是增益的相角， 都是频率的函数。我们将幅值随变化的特性称为放大器的幅频特性，其相应的曲线称为幅频特性曲线; 相角随变化的特性称为放大器的相频特性，其相应的曲线称为相频特性曲线。在工程上，一个实际输入信号包含许多频率分量， 放大器不能对所有频率分量进行等增益放大，那么合成的输出信号波形就与输入信号不同。这种波形失真称为放大器的频率失真。要把这种失真限制在允许值范围内，则放大器频率响应曲线中平坦部分的带宽应大于输入信号的频率宽度。3.2 整形电路3.2.1 整形电路原理整形电路是有低通滤波

37、器和整形器组成，其原理：如图3-5所示 它将输入正弦波的同步信号进行低通滤波排除高频干扰后转换为方波信号。图3-5 整形电路原理图3.2.2 脉冲形成电路脉冲形成电路是由积分器，反相器及与门电路组成，其电路原理图如图3-6所示，它的工作波形如图3-7所示，该电路能够将输出的脉冲信号转换为同相位的固定脉冲宽度的脉冲信号，通过改变R1，C5的参数可做到调整触发脉冲的宽度，使其大于60度，封锁信号位高电平时允许触发脉冲输出，当它为低电平时封锁脉冲信号，无触发脉冲输出。图3-6 脉冲形成电路原理 图3-7 脉冲形成电路工作波形获取矩形脉冲的途径有很多，例如：1 利用各种形式的多谐振荡电路直接产生所需要

38、的矩形脉冲；2 对已有的信号进行整形，即通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为所要求的矩形脉冲。在采取整形的方案时，是以能够找到频率和幅度符合要求的一种已有电压信号为前提的。这里重点使用集成555定时器555定时器是一种用途极为广泛的单片集成电路，只要外接少量电阻、电容等元件就可以构成各种不同用途的脉冲电路。如施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等。 555定时器有TTL集成定时器和CMOS集成定时器，其逻辑功能及外部引线排列完全一样。几乎所有TrL类产品的型号最后3位数码都是555，所有CMOS产品信号最后4位数都是7555。CC7555定时器电路具有静态电流较小(80UA左右)，输

39、入阻抗极高(输入电流仅为01UA左右)，电源电压范围较宽(在318V内均正常工作)等特点。其最大功耗为300mW，和所有CMOS集成电路一样，在使用时，输入电压UI应确保在安全范围之内，即满足下式条件： 对TTL型，如5G555(NE555)，它的工作原理与CC7555没有本质区别，但其驱动电流可达200mA。 本文以CMOS集成定时器为例进行介绍。(1)电路的组成 图3-8为CC7555定时器的电路组成，图3-9为CC7555定时器管脚图。电路由电阻分压器、电压比较器、基本Rs触发器、MOS管开关和输出缓冲级等几个基本单元组成。 电阻分压器 在图3-8中，3个n二5 kD,的电阻串联起来构成

40、分压器，它为电压比较器C1、C2提供两个基准电压。比较器c1的基准电压为Vref1=(23)VDD，比较器C：的基准电压为VREF2=(13)Vnn。若在控制端(CO端)外加一个控制电压，则可改变两个比较器的基准电压。 图3-8 CC7555 定时器原理图 图3-9 CC75555定时器管脚图由于此定时器的输人端是由3个5 kn的电阻分压组成，故名555定时器。 电压比较器 图3-8中，C1、C2是2个结构完全相同的高精度电压比较器，分别由2个集成运算放大器构成。比较器c1的反相输入端接基准电压Vref1，同相输入端(6)也称高触发端，接输入电压，因此C1是同相比较器。比较器c：的同相输入端接

41、基准电压Vref2，反相输入端(2)也称低触发端，接输入电压，因此C2是反相比较器。在高触发端(6)和低触发端(2)的输入电压作用下，电压比较器C1、C2的输出电压的数字，不是接近+yD。(1状态)，就是接近0V(0状态)。它们是基本RS触发器的输入信号。 基本RS触发器 基本RS触发器是由2个或非门组成，及、S端为高电平有效，电压比较器的输出电压是基本RS触发器的输入信号，控制着触发器输出端的状态。只是外部直接复位端，因只信号直接作用于输出端，所以当月二0时，无论TH、TR为何值，RS触发器的Q端及定时器的输出端均为0，放电管T导通。 开关管T和输出缓冲级 放电管T是一个N沟道增强型MOS管

42、，在电路中作为放电开关，其栅极受RS触发器的控制，若0二0，放电管T导通；若Q二1，放电管T截止。 2个非门组成的2级反相器，构成输出缓冲级，用于提高输出电流的驱动能力，一般可驱动2个TTL，电路。同时，缓冲级还起到隔离负载对定时器影响的作用。 (2)工作原理 定时器的工作状态取决于比较器C1、C2，比较器的输出控制着RS触发器和放电管T的状态。 设及端接高电平。当高触发端TH的电压高于(23)VDD时，比较器C：输出为高电平，使RS触发器置0(即Q=0)，而Q=1使放电管T导通。 当低触发端TR的电压低于(13)VDD时，比较器C2输出为高电平，使Rs触发器置1(即Q=1)，而Q=0使放电管

43、T截止。 当TH端电压低于(23)VD。时、TR端电压高于(13)VDD。时，比较器C1、C2的输出均为O，放电管和输出保持原态。3.3 电子门电路门电路是数字电路的基本组成单元。它有一个或多个输入端和一个输出端，输入和输出为低电平和高电平。门电路一般有：与门、或门、非门、与非门、或非门等。各种门电路有着不同的功能，即针对不同的输入数值给出输出数值（比如或门要求两个输入值中有一个或以上为1时输出1；与门在两个输入值都为1是输出1，否则输出0；非门只有一个输入，而输出与输入反相），就像数学上简单的方程式；不同种类的门就像不同的方程式；大量的各种门可以描述更为复杂的方程式。 3.4 计数器电子计数

44、器利用数字电路技术数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化仪器。电子计数器是其他数字化仪器的基础。在它的输入通道接入各种模-数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛应用 。电子计数器按功能可分3类。通用计数器：可测频率、周期、多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。频率计数器：专门用于测量高频和微波频率的计数器。计算计数器：具有计算功能的计数器，可进行数学运算，可用程序控制进行测量计算和显示等全部工作过程。微波计数器：是以通用计数器和频

45、率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动 、全自动3类。系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。第四章 天然气流量检测器的系统设计4.1 检测器整体设计方案4.1.1 要求1.性能稳定可靠，防止易燃易爆； 2.精确度0.1升分；4.1.2 方案流量光纤传感器检测电路显示4.1.3 原理图4-1方案原理图1. 如图4-1所示；车管内安装了涡轮，当有天然气通过时，涡轮旋转，叶片也跟着旋转时，由于光的反射作用，光纤输出端有脉冲信号入射三极管。2. 光纤传感器是由涡轮叶片，光线，LED，光电三极管及偏置电路组成。3. 如图4-2所示，不规则的脉冲信号入射三极管，经过放大电路将脉冲信号放大，再经过整形电路将不规则的脉冲信号转换为矩形 Ubb f N Rl