新型靶式流量計的設計與研究

0 引言

靶式流量計有插入式、固定式和多點(diǎn)式等接入方式，可以測量非黏性或高黏性的超高溫超高壓的流體流量，還可以與密度計組合測量氣液兩相流、氣固兩相流、液固兩相流流量以及油氣水三相流流量。

靶式流量計是差壓型流量計的一種，其流量傳感器先后經(jīng)歷了力平衡式、應變式和微位移式。其中，力平衡式因為本身固有的缺陷，已經(jīng)完全從市場(chǎng)上退出。由于靶式流量計獨有的特點(diǎn)，使其廣泛地應用于冶金、石油、化工、能源、食品、環(huán)保等領(lǐng)域的流量測量。

應變式是利用若干個(gè)應變片并把它們安裝在彈性體不同的位置，構成一個(gè)平衡電橋，該電橋可以測量出彈性體在力作用下產(chǎn)生的形變信號，從而得出引起彈性體形變的力。但是安裝應變片時(shí)存在著(zhù)效率低、精度低和一致性差的缺陷，而且應變片在使用過(guò)程中容易發(fā)生偏轉、漂移，測量精度受到影響。

微位移式是電容式位移傳感器。雖然電容式位移傳感器得到市場(chǎng)的認可，但它具有下列不足：信號需要轉換，在大量程下呈現信號輸出的非線(xiàn)性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度影響較大，聯(lián)接電路的結構較復雜，尤其是仍然存在著(zhù)零點(diǎn)漂移的缺陷。

為了解決上述靶式流量計存在的問(wèn)題，該文提出一種新型的靶式流量計傳感器，即磁致伸縮式位移傳感器，來(lái)克服現有靶式流量計的缺陷。

1 磁致伸縮式位移靶式流量計的工作原理

1.1 磁致伸縮式位移傳感器原理

磁致伸縮式位移傳感器是一種以磁致扭轉波為傳播媒介的傳感器。它是利用2個(gè)不同的磁場(chǎng)，一個(gè)來(lái)自活動(dòng)磁鐵，另一個(gè)則來(lái)自電子部件產(chǎn)生的電流脈沖，如圖1所示。當這2個(gè)磁場(chǎng)相遇時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)應變脈沖信號，并以聲波的速度返回電子部件的檢測線(xiàn)圈，通過(guò)測量電流脈沖從產(chǎn)生到返回的應變脈沖所需的時(shí)間，再乘以聲波的速度，便能準確地計算出位置磁鐵的絕對位移。

圖1 磁致伸縮式位移傳感器

1.2 磁致伸縮式位移靶式流量計原理

基于磁致伸縮式位移傳感器的靶式流量計主要由力產(chǎn)生裝置和力轉換單元兩部分組成。圖2為靶式流量計的結構圖。

圖2 新型靶式流量計結構圖

力產(chǎn)生裝置即測量元件，是一個(gè)放在管道中心的圓形靶片，當流體沖擊到靶片時(shí)，使靶片受力并產(chǎn)生相應的微小位移。靶片受到的作用力與流體流速的平方、流體密度及靶的受力面積成正比。

式中：F為靶片受到的力（N）；k為阻力系數；ρ為流體密度（kg/m³）；υ為流體速度（m/s）；A為靶片面積（m²）。

流量計算公式

式中：Q_υ為流體體積流量（m³/s）；D為管道直徑（m）；β為靶徑比；k_a為流量系數；k₁為常數。

由此得出流量與靶片受力的開(kāi)方成線(xiàn)性關(guān)系。

彈性管連接傳感器活動(dòng)磁鐵，當靶片受力導致靶桿移動(dòng)，靶桿帶動(dòng)彈性管，這樣，測量力的信號就轉換成測量位移的信號。

這種傳感器安裝便捷，能承受高溫、高壓等復雜環(huán)境，最主要的是傳感器輸出信號為絕對位移值，免除了放大器環(huán)節，因而不存在信號漂移的情況，采用隔熱結構，還可以最大限度地減弱溫漂，而且不需要定期重新標定，即使電源出現突然斷電等問(wèn)題，數據也不會(huì )丟失。由于敏感元件是非接觸的，可以極大地提高檢測的可靠性和使用壽命。盡管磁致伸縮式位移傳感器與應變式或微位移式傳感器相比，優(yōu)勢明顯，但也有一些不足，例如，傳感器的體積較大，在實(shí)現高精度測量時(shí)對單片機和移相器要求較高。但是，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)及加工技術(shù)的發(fā)展，這些不足會(huì )得到解決。

2 硬件電路設計

流量計的硬件電路如圖3所示，由電源模塊、信號模塊、單片機處理系統及液晶顯示模塊、按鍵模塊、通信模塊等組成。

圖3 系統模塊圖

在二次儀表的設計中，經(jīng)過(guò)分析比較，選擇了美國TI公司生產(chǎn)的MSP430F435單片機作為控制芯片。這是因為MSP430系列單片機不但具有超低功耗的特點(diǎn)，而且性?xún)r(jià)比高、運算速度快以及功能模塊豐富等，非常適合于要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，尤其是流量計測量領(lǐng)域。

流量信號由磁致伸縮式位移傳感器檢測，通過(guò)信號處理送入單片機中，計算得到瞬時(shí)流量和累積流量。最后由AD420芯片輸出電流或者電壓信號。

當管道中流過(guò)的介質(zhì)在不同的溫度和壓力下，它的密度也是不同的，因此需要考慮對流體的密度進(jìn)行修正。

2.1 溫度檢測電路

采用鉑絲熱電阻，溫度信號由兩根線(xiàn)發(fā)送到主控電路板上，通過(guò)信號放大再送到主控芯片上進(jìn)行相應處理。電路如圖4所示。

圖4 溫度采集電路原理圖

2.2 壓力檢測電路

電阻應變式傳感器檢測壓力信號，一般采取測量電橋的方法。圖5為測量電橋電路。

圖5 電橋電路

3 軟件設計

使用IAREmbeddedWorkbench開(kāi)發(fā)環(huán)境，它不僅提供了C語(yǔ)言編程，而且還為MSP430設計了許多專(zhuān)用開(kāi)發(fā)工具。軟件系統采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在算法的設計要求中，以測量精度最優(yōu)為目標。軟件系統主要完成硬件初始化，實(shí)現各種檢測、修正、補償等功能。

整個(gè)程序設計步驟如下：

1）設計軟件的整體結構，劃分子程序模塊。

2）模塊化編程，子程序模塊分別設計。

3）結構化編程，合理使用轉移和調用，將子程序模塊有機地組合成整體。

系統的應用程序由下列子程序構成：系統初始化、運行參數設置、溫度壓力檢測、流量補償算法、液晶顯示、按鍵處理、遠傳通信等。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

流量計量的關(guān)鍵技術(shù)就是計量曲線(xiàn)的選取，通常流量計計量模型是所受的作用力（力相關(guān)的信號）與介質(zhì)流速的平方成正比，這種數學(xué)模型在一定流速范圍內可以精確計量，但是對于小流量和較大流量的計量，誤差就比較大。

為了改進(jìn)上面的缺點(diǎn)，采用分段確定曲線(xiàn)線(xiàn)性的方法進(jìn)行流量計算，使計量的精度進(jìn)一步提高。軟件特點(diǎn)如下：

1）采用C語(yǔ)言編程，它支持結構化編程，它的模塊化結構可以給編程者帶來(lái)了極大的方便。

2）在流量計算程序中，采用了流體密度的溫壓補償，流量系數迭代修正等算法，提高了精度，擴大了量程。

3）按鍵處理模塊可以實(shí)現流量單位選擇、小數點(diǎn)位數選擇、流量報警限值修改等，進(jìn)而提高了儀表使用的靈活性。

4 實(shí)驗數據

磁致伸縮式靶式流量計是自主設計的新型流量計，以前在行業(yè)中還沒(méi)有此種流量計，其性能必須通過(guò)實(shí)驗來(lái)檢驗。

用水塔及配套設備對流量計進(jìn)行檢測，數據見(jiàn)表1。從表1中可以初步得出以下結論：靶式流量計在設計量程內的引用誤差都在1%之下，可以用于工業(yè)等領(lǐng)域的測量。相信通過(guò)不斷地研究改進(jìn)后，精度、量程比還會(huì )提高。

表1 實(shí)驗數據

5 結論

設計的新型靶式流量計，采用磁致伸縮式位移傳感器進(jìn)行流量信號檢測，運用單片機進(jìn)行信號處理，具有溫度和壓力的補償功能。結構簡(jiǎn)單、精確度高，在小流量、高黏度、易凝易堵等流量計量困難的工況中具有良好的應用前景。