我国农业正从传统的粗犷式向现代的精准式发展,变量作业是实施精准农业的重要手段。变量施肥能够有效地减少环境污染,减少化肥投入量,提高作物品质和产量,降低生产成本,在现代化精准农业发展进程中具有深远的战略意义。变量施肥的最终目标是根据土壤肥力和作物营养状况实现精准施肥。在液态肥变量施肥控制系统中,精准实现施肥需要根据当前目标施肥量和施肥系统中流量计的流量值实时调节排肥口的出口流量。液态流量计种类繁多,且各有各的适用范围。靶式流量计具有结构简单、抗震动能力强、能测量高粘度和含有微小固体颗粒的流体等特性,适用于液态肥变量施肥系统中的流量测量。当前,靶式流量计主要有应变式和电容式两种。应变式靶式流量计中的应变片黏贴加工要求十分严格,容易出现零点漂移和温度漂移;电容式靶式流量计在大量程比的测量范围内,信号输出呈非线性,容易出现测量误差甚至错误。针对上诉问题,本文提出一种采用新的力转换方式的液态肥扭力靶式流量计,以满足液态肥变量施肥系统中流量测量的要求。论文的主要研究工作如下:(1)根据液态肥变量施肥系统流量测量的特点和靶式流量计的研究现状,设计了一种液态肥扭力靶式流量计。采用新的力转换方式(力—扭力管—应变电压)完成流量计结构的设计,在分析扭力靶式流量计测量原理的基础上,建立了流体流量与应变电压呈开方关系的数学模型。分析了扭力靶式流量计在测量过程中的误差源,包括流体流通截面积的影响、靶片与测量管道不同心的影响、流体流动状态的影响以及流体密度的影响,并提出相应的解决办法。(2)根据扭力靶式流量计测量原理,分析了不同靶片形状和不同直径比对扭力靶式流量计的压力损失、灵敏度和分辨率的影响。利用Fluent软件对不同靶片形状(圆盘形、圆锥形、球形)和不同直径比(0.5、0.6、0.7)的扭力靶式流量计的9组模型在8组不同流速下进行数值模拟仿真计算,对管道内部流体流场、压力损失和靶片受力进行分析,确定了不同靶片形状和不同直径比与扭力靶式流量计压力损失、灵敏度和分辨率的关系。根据液态肥变量施肥系统流量测量的特点,选出最优的靶片形状(圆盘形)和直径比(0.6)。(3)根据扭力靶式流量计的工作原理和测量要求,设计了扭力靶式流量计的硬件电路。硬件电路由信号处理电路、电源系统电路、人机交互电路、电流输出电路和串口通信电路等组成。详细分析了 STM32微处理器的特点;设计了拥有3.3V、SV、土12V、24V输出的复杂电源电路;采用“一级放大+二阶低通滤波+二级放大”的信号检测电路设计思路对流量信号检测电路进行设计;设计了人机交互电路、电流输出电路以及串口通信电路等相关电路;并针对硬件电路干扰提出了相应的PCB抗干扰处理措施。(4)根据扭力靶式流量计的工作流程和系统需求,设计了扭力靶式流量计的软件系统。软件系统由系统初始化程序、流量检测程序、流量计算程序和串口通信程序等组成。软件系统采用“自顶向下”的模块化设计方法。首先根据工作流程制定出整体方案,然后将需求功能划分成子程序模块,分别实现每个子程序,最后由主程序调度子程序完成流量测量。流量检測子程序中,采用软件数字滤波技术,减小噪声干扰,实现数据可靠采集;流量计算子程序中,针对流体密度变化对流量结果的影响,提出密度补偿方法,提高流量计测量精度。(5)对设计的扭力靶式流量计进行了性能校验实验。主要包括流量计标定实验、性能分析实验、流体温度变化验证实验和液态肥流量实验。实验结果表明:本文设计的扭力靶式流量计的测量结果稳定可靠,满量程误差在2.0%之内,可測的最低流量为0.203m3/h,最高流量为3.986m3/h,量程比达到20:1,且流量测量精度受流体温度变化影响很小,能满足液态肥变量施肥系统中流量测量的要求。