流量計量是計量中的一個重要組成部分。目前已開發(fā)和使用的流量儀表大致可分為差壓式、容積式、浮子式、葉輪式、電磁式等*類100多個品種，基本能解決工業(yè)生產(chǎn)中流量測量的一般問題。但是，一些特殊領(lǐng)域的流量測量問題仍難以解決，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測量已經(jīng)難以達(dá)到精度要求，而電磁流量計卻不能對非導(dǎo)電液體和氣體進(jìn)行測量[1]。由于這些介質(zhì)會使流量計的腐蝕、磨損、堵塞時有發(fā)生，所以流量儀表的測量準(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，因此對檢測介質(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量，在一定程度上解決了“困難流體”的檢測問題。靶式流量計以其結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件，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)域的測量[3]。
不管是傳統(tǒng)氣動和電動靶式流量計還是目前市場上存在的應(yīng)變片電橋和電容力傳感器靶式流量計，都是以測量流體對靶的作用力為直接研究對象，主要選用了力傳感器。其中，氣動和電動靶式流量計的機(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量的要求[4]；而應(yīng)變片式的設(shè)計中，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過程中對靶的沖擊力，會使得靶和傳感器之間的距離產(chǎn)生了變化。本次設(shè)計，就以測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。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，可對進(jìn)入其測量范圍內(nèi)的金屬物體運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行精密的非接觸測量。電渦流傳感器正是因?yàn)槠涮厥獾臏y試原理，因而對油污、塵埃、濕度、干擾磁場等不敏感，特別適用于在油、汽、水惡劣環(huán)境下長期工作。在用該新型靶式流量計對氣體流量進(jìn)行檢測時，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的研究。
1 電渦流靶式流量計原理和結(jié)構(gòu)
靶式流量計是通過一塊靶板將流體所攜帶的動壓能轉(zhuǎn)化為對靶的作用力，再經(jīng)過檢測靶板所受作用力的大小，從而計算得到相應(yīng)的流速及流量。流體流動時對中心靶的作用力主要是流體對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)計算分析可知，流體對靶的作用力F與流速u的平方成正比，其關(guān)系如式（1）。
（1）
式（1）中：F—流體對靶的作用力；ζ—阻力系數(shù)（當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時，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，當(dāng)Re>2030，流量系數(shù)α是一個常數(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)簡單、靈敏度高、抗*力強(qiáng)、測量線性范圍大，而且具有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，適用于作為流量檢測儀器儀表的傳感器。
電渦流靶式流量計主要由測量管（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靶式流量計結(jié)構(gòu)圖
電渦流傳感器固定在管道內(nèi)沿，靶式流量計在工作時，流體只能沿標(biāo)定的正方向流動。當(dāng)流體從正方向沖擊靶時，靶會帶動靶桿有微型的移動，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能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)探頭時，使靶桿內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個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]，可識別出靶桿與探頭端面的相對位置。
我們知道：當(dāng)無流量時，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，諧振時回路的等效阻抗zui小，輸出電壓zui小；當(dāng)靶受力時，靶桿漸漸遠(yuǎn)離探頭，傳感器電感增大，諧振時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，且探頭對它的檢測靈敏度較高。試驗(yàn)中，將靶桿固定在測量平臺的一端，電渦流傳感器置于平臺的可水平移動部件上，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。測量時，在0～5mm的位移區(qū)間內(nèi)，每增加0。5mm的位移量測一次電壓值。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量，重復(fù)性非常好，尤其在0。5mm～3mm的位移時線性良好。可選取這段距離作為靶式流量計的工作距離。電渦流傳感器可長期可靠工作，靈敏度高，響應(yīng)速度快。在無損檢測和大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長期實(shí)時監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用。
2 系統(tǒng)設(shè)計
控制核心單元選用的是美國TI公司生產(chǎn)的單片機(jī)MSP430F435，圖4為整個系統(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、壓力檢測、溫度檢測、電源模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出、時鐘芯片等。
流量信號由電渦流式傳感器檢測，通過信號處理電路輸出電壓信號。將此電壓信號送入單片機(jī)的A/D處理，計算得到相應(yīng)的瞬時流量和累積總量。再由單片機(jī)與AD420芯片進(jìn)行通信zui終將瞬時流量轉(zhuǎn)化為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，實(shí)現(xiàn)流量信號的遠(yuǎn)傳。
溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度計，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分別經(jīng)儀表放大器放大后送給單片機(jī)對流量進(jìn)行補(bǔ)償。
MSP430單片機(jī)對傳感器采集的流量、溫度、壓力信號，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
整體系統(tǒng)的軟件程序采用C語言編寫，軟件算法的設(shè)計以測量的性為主要目標(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采集、瞬時流量計算模塊、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
瞬時流量計算模塊主要就是將A/D轉(zhuǎn)換后的流量信號，經(jīng)過壓力和溫度的實(shí)時補(bǔ)償，根據(jù)相應(yīng)的計算公式計算出的瞬時流量值。
流量累積模塊是整個系統(tǒng)的核心，關(guān)系到整個儀表的精度。軟件設(shè)計思路采用1s一次的定時中斷對瞬時流量進(jìn)行累積，實(shí)現(xiàn)流量的累積。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)流量信號的遠(yuǎn)傳需要將流量信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，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)在音速噴嘴檢測裝置上進(jìn)行。音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)流量計法氣體流量標(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的檢測和校準(zhǔn)[11]，其檢測精度為0。2%。對靶式流量計進(jìn)行了多次檢測，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應(yīng)關(guān)系，這樣我們就可以根據(jù)輸出的電壓來檢測流場中的流量。并且在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)氣體流量相同時，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)用電渦流傳感器測量氣體流量是可行的。
流量計對應(yīng)的響應(yīng)方程通常描述成Q=f（U），Q為流量，U為對應(yīng)變化的電壓。
這里對實(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)電壓計算出流量值，再通過溫度和壓力的補(bǔ)償?shù)玫剿矔r流量。
該靶式流量計所測量的流量與標(biāo)準(zhǔn)流量裝置之間的誤差，如表2。
表2測量誤差
從表2可以看到，該靶式流量計引用誤差均在1%以下，*符合一般工業(yè)管道流量的測量。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。電渦流靶式流量計具有非常高的推廣和使用價值。
5 結(jié)語
靶式流量計的傳感器不與被測介質(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)計的靶式流量計，采用了全新的電渦流傳感器進(jìn)行流量信號的檢測。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)場指示流量值，又可發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)電流信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其對氣體的流量測量具有優(yōu)于1%的測量精度，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。
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