流量計(jì)量是計(jì)量中的一個(gè)重要組成部分。目前已開發(fā)和使用的流量?jī)x表大致可分為差壓式、容積式、浮子式、葉輪式、電磁式等*類100多個(gè)品種，基本能解決工業(yè)生產(chǎn)中流量測(cè)量的一般問題。但是，一些特殊領(lǐng)域的流量測(cè)量問題仍難以解決，如臟污、高黏度和具有腐蝕性的流體等，用一般的孔板流量計(jì)測(cè)量已經(jīng)難以達(dá)到精度要求，而電磁流量計(jì)卻不能對(duì)非導(dǎo)電液體和氣體進(jìn)行測(cè)量[1]。由于這些介質(zhì)會(huì)使流量計(jì)的腐蝕、磨損、堵塞時(shí)有發(fā)生，所以流量?jī)x表的測(cè)量準(zhǔn)確度、運(yùn)行費(fèi)用、安裝維護(hù)費(fèi)用、壓力損失等都尚存在一定問題。
靶式流量計(jì)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的，其傳感器不與流體介質(zhì)直接接觸，因此對(duì)檢測(cè)介質(zhì)的種類要求不高，尤其適用于高黏度、低雷諾數(shù)的流體及含有微小顆粒的流體的測(cè)量，在一定程度上解決了“困難流體”的檢測(cè)問題。靶式流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無可動(dòng)部件，且維護(hù)方便、不易堵塞的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用[2]，可適用于石油、化工、能源、食品、環(huán)保和水利等領(lǐng)域的測(cè)量[3]。
不管是傳統(tǒng)氣動(dòng)和電動(dòng)靶式流量計(jì)還是目前市場(chǎng)上存在的應(yīng)變片電橋和電容力傳感器靶式流量計(jì)，都是以測(cè)量流體對(duì)靶的作用力為直接研究對(duì)象，主要選用了力傳感器。其中，氣動(dòng)和電動(dòng)靶式流量計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度低、量程范圍窄，早已不符合高精度測(cè)量的要求[4]；而應(yīng)變片式的設(shè)計(jì)中，應(yīng)變片直接貼在彈性體上，容易受介質(zhì)溫度變化影響產(chǎn)生溫漂，抗過載能力較差[5]。鑒于流體本身在流動(dòng)過程中對(duì)靶的沖擊力，會(huì)使得靶和傳感器之間的距離產(chǎn)生了變化。本次設(shè)計(jì)，就以測(cè)量靶桿與傳感器的微小位移變化為基點(diǎn)，選擇位移傳感器來進(jìn)行測(cè)量。
本文主要介紹一種新型的基于電渦流傳感器的靶式流量計(jì)。電渦流傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移傳感器，可對(duì)進(jìn)入其測(cè)量范圍內(nèi)的金屬物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精密的非接觸測(cè)量。電渦流傳感器正是因?yàn)槠涮厥獾臏y(cè)試原理，因而對(duì)油污、塵埃、濕度、干擾磁場(chǎng)等不敏感，特別適用于在油、汽、水惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期工作。在用該新型靶式流量計(jì)對(duì)氣體流量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，無論是線性度、穩(wěn)定性、低流量特性、范圍度等各方面都表現(xiàn)出較好的特性，并進(jìn)一步拓展了靶式流量計(jì)的研究。
1 電渦流靶式流量計(jì)原理和結(jié)構(gòu)
靶式流量計(jì)是通過一塊靶板將流體所攜帶的動(dòng)壓能轉(zhuǎn)化為對(duì)靶的作用力，再經(jīng)過檢測(cè)靶板所受作用力的大小，從而計(jì)算得到相應(yīng)的流速及流量。流體流動(dòng)時(shí)對(duì)中心靶的作用力主要是流體對(duì)靶的沖擊力和因流速在靶后分離產(chǎn)生的差壓而形成的作用力。經(jīng)計(jì)算分析可知，流體對(duì)靶的作用力F與流速u的平方成正比，其關(guān)系如式（1）。
（1）
式（1）中：F—流體對(duì)靶的作用力；ζ—阻力系數(shù)（當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，ζ趨于常數(shù)）；A—靶的迎流面積；u—靶和管壁間環(huán)形截面處流體的平均流速；ρ—流體密度。
我們令α=1ζ，作用力F與體積流量的關(guān)系見式（2）：
（2）
式（2）中：D—管道內(nèi)徑；α—流量系數(shù)；β—靶徑比，β=d/D（d為靶徑）；K—常系數(shù)。取D=50mm，β=0。8時(shí)，當(dāng)Re>2030，流量系數(shù)α是一個(gè)常數(shù)。于是Qv就和F的開方呈線性關(guān)系[6]。
電渦流傳感器機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗*力強(qiáng)、測(cè)量線性范圍大，而且具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，適用于作為流量檢測(cè)儀器儀表的傳感器。
電渦流靶式流量計(jì)主要由測(cè)量管（外殼）、阻流元件（靶）、電渦流傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、信號(hào)處理電路、液晶顯示等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1靶式流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖
電渦流傳感器固定在管道內(nèi)沿，靶式流量計(jì)在工作時(shí)，流體只能沿標(biāo)定的正方向流動(dòng)。當(dāng)流體從正方向沖擊靶時(shí)，靶會(huì)帶動(dòng)靶桿有微型的移動(dòng)，因此和探頭產(chǎn)生位移差。
電渦流傳感器是利用感應(yīng)電渦流原理實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)的，如圖2，它是電感式傳感器的一種[7]。
圖2電渦流傳感器原理圖
傳感器由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。利用金屬靶桿在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)探頭時(shí)，使靶桿內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于傳感器探頭，使探頭振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化[8]，可識(shí)別出靶桿與探頭端面的相對(duì)位置。
我們知道：當(dāng)無流量時(shí)，金屬靶桿自由放置，與探頭的距離zui小，渦流效應(yīng)zui強(qiáng)，傳感器線圈電感zui小，諧振時(shí)回路的等效阻抗zui小，輸出電壓zui小；當(dāng)靶受力時(shí)，靶桿漸漸遠(yuǎn)離探頭，傳感器電感增大，諧振時(shí)回路的等效阻抗變大，輸出電壓也隨著變大。這樣，可根據(jù)金屬靶桿與傳感器之間的位移變化，來判斷靶受力的大小。
靶桿選用的材料是45號(hào)鋼，它是碳素結(jié)構(gòu)用鋼，具有較高的強(qiáng)度和韌性，在多次試驗(yàn)中不易變形，且探頭對(duì)它的檢測(cè)靈敏度較高。試驗(yàn)中，將靶桿固定在測(cè)量平臺(tái)的一端，電渦流傳感器置于平臺(tái)的可水平移動(dòng)部件上，并配以千分尺來讀取位移值，就可得到傳感器和靶桿之間位移和輸出電壓的關(guān)系曲線。測(cè)量時(shí)，在0～5mm的位移區(qū)間內(nèi)，每增加0。5mm的位移量測(cè)一次電壓值。在這里選取三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成位移-電壓關(guān)系圖，見圖3。
圖3位移2電壓關(guān)系圖
可以看到，電渦流傳感器的非接觸測(cè)量，重復(fù)性非常好，尤其在0。5mm～3mm的位移時(shí)線性良好?？蛇x取這段距離作為靶式流量計(jì)的工作距離。電渦流傳感器可長(zhǎng)期可靠工作，靈敏度高，響應(yīng)速度快。在無損檢測(cè)和大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制核心單元選用的是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的單片機(jī)MSP430F435，圖4為整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)控制器為一片MSP430F435單片機(jī)。外部模塊包括流量檢測(cè)、壓力檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電源模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出、時(shí)鐘芯片等。
流量信號(hào)由電渦流式傳感器檢測(cè)，通過信號(hào)處理電路輸出電壓信號(hào)。將此電壓信號(hào)送入單片機(jī)的A/D處理，計(jì)算得到相應(yīng)的瞬時(shí)流量和累積總量。再由單片機(jī)與AD420芯片進(jìn)行通信zui終將瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)化為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的遠(yuǎn)傳。
溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度計(jì)，鉑電阻在很寬的范圍內(nèi)有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，因此有*的復(fù)現(xiàn)性能，是作為精密溫度計(jì)的主要傳感器[9]。壓力傳感器采用MPX10型微型壓力傳感器。溫度和壓力傳感器采集得到的信號(hào)分別經(jīng)儀表放大器放大后送給單片機(jī)對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償。
MSP430單片機(jī)對(duì)傳感器采集的流量、溫度、壓力信號(hào)，進(jìn)行濾波、線性修正、密度補(bǔ)償?shù)葦?shù)字處理，并將zui后的瞬時(shí)流量、累積流量、溫度和壓力顯示在液晶屏上。
圖4系統(tǒng)框圖
3 軟件設(shè)計(jì)
整體系統(tǒng)的軟件程序采用C語言編寫，軟件算法的設(shè)計(jì)以測(cè)量的性為主要目標(biāo)，其主要程序流程圖如圖5。
系統(tǒng)的軟件部分主要包括信號(hào)采集、瞬時(shí)流量計(jì)算模塊、流量累積模塊、串行同步/異步模塊、顯示和按鍵處理模塊。
圖5主程序流程圖
瞬時(shí)流量計(jì)算模塊主要就是將A/D轉(zhuǎn)換后的流量信號(hào)，經(jīng)過壓力和溫度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算出的瞬時(shí)流量值。
流量累積模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，關(guān)系到整個(gè)儀表的精度。軟件設(shè)計(jì)思路采用1s一次的定時(shí)中斷對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行累積，實(shí)現(xiàn)流量的累積。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)流量信號(hào)的遠(yuǎn)傳需要將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，也就是標(biāo)準(zhǔn)電流輸出單元。本單元的核心部分是采用AD420芯片來實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)通過串行同步/異步模塊（USART），然后再經(jīng)過AD420轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸[10]。
按鍵處理模塊主要是使LCD液晶具有瞬時(shí)流量和累積流量的切換顯示功能。
4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
試驗(yàn)在音速噴嘴檢測(cè)裝置上進(jìn)行。音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，它的精度高、復(fù)現(xiàn)性好、性能穩(wěn)定，因而被廣泛地應(yīng)用于各種氣體流量計(jì)的檢測(cè)和校準(zhǔn)[11]，其檢測(cè)精度為0。2%。對(duì)靶式流量計(jì)進(jìn)行了多次檢測(cè)，這里取3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為24。96℃，大氣壓為100。57kPa，管道直徑DN50。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，并將表1的數(shù)據(jù)畫成曲線圖如圖6。
表1流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖6流量與電壓關(guān)系圖
從表1和圖6可以看出，電壓與流量之間具有較好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣我們就可以根據(jù)輸出的電壓來檢測(cè)流場(chǎng)中的流量。并且在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)氣體流量相同時(shí)，三組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓值也基本相同，即三組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓重復(fù)性較好。這就表明運(yùn)用電渦流傳感器測(cè)量氣體流量是可行的。
流量計(jì)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)方程通常描述成Q=f（U），Q為流量，U為對(duì)應(yīng)變化的電壓。
這里對(duì)實(shí)驗(yàn)中的*組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，并確定其擬合公式，建立流量傳感器的數(shù)學(xué)模型。如式（3）：
Q=50。038U-3。6217（3）
單片機(jī)就可以根據(jù)電壓計(jì)算出流量值，再通過溫度和壓力的補(bǔ)償?shù)玫剿矔r(shí)流量。
該靶式流量計(jì)所測(cè)量的流量與標(biāo)準(zhǔn)流量裝置之間的誤差，如表2。
表2測(cè)量誤差
從表2可以看到，該靶式流量計(jì)引用誤差均在1%以下，*符合一般工業(yè)管道流量的測(cè)量。相信在不斷的試驗(yàn)研究和改進(jìn)后，精度和量程比還可以進(jìn)一步提高。電渦流靶式流量計(jì)具有非常高的推廣和使用價(jià)值。
5 結(jié)語
靶式流量計(jì)的傳感器不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，不存在零部件磨損和腐蝕，使用安全可靠。本次設(shè)計(jì)的靶式流量計(jì)，采用了全新的電渦流傳感器進(jìn)行流量信號(hào)的檢測(cè)。結(jié)合MSP430單片機(jī)，具有溫度和壓力的一體化補(bǔ)償，抗干擾、抗雜質(zhì)能力強(qiáng)，智能化程度高。它既有現(xiàn)場(chǎng)指示流量值，又可發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其對(duì)氣體的流量測(cè)量具有優(yōu)于1%的測(cè)量精度，并有進(jìn)一步改良的空間，因此是一款具有發(fā)展前景的流量計(jì)。
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