流量計量是計量中的一個(gè)重要組成部分。目前已開(kāi)發(fā)和使用的流量?jì)x表大致可分為差壓式、容積式、浮子式、葉輪式、電磁式等*類(lèi)100多個(gè)品種，基本能解決工業(yè)生產(chǎn)中流量測量的一般問(wèn)題。但是，一些特殊領(lǐng)域的流量測量問(wèn)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)難以達到精度要求，而電磁流量計卻不能對非導電液體和氣體進(jìn)行測量[1]。由于這些介質(zhì)會(huì )使流量計的腐蝕、磨損、堵塞時(shí)有發(fā)生，所以流量?jì)x表的測量準確度、運行費用、安裝維護費用、壓力損失等都尚存在一定問(wèn)題。
靶式流量計是20世紀60年代出現的，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(lèi)要求不高，尤其適用于高黏度、低雷諾數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(wèn)題。靶式流量計以其結構簡(jiǎn)單、無(wú)可動(dòng)部件，且維護方便、不易堵塞的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應用[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]。
不管是傳統氣動(dòng)和電動(dòng)靶式流量計還是目前市場(chǎng)上存在的應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(dòng)和電動(dòng)靶式流量計的機械結構復雜、靈敏度低、量程范圍窄，早已不符合高精度測量的要求[4]；而應變片式的設計中，應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(guò)載能力較差[5]。鑒于流體本身在流動(dòng)過(guò)程中對靶的沖擊力，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(lái)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為原理的非接觸式位移傳感器，可對進(jìn)入其測量范圍內的金屬物體運動(dòng)參數進(jìn)行精密的非接觸測量。電渦流傳感器正是因為其特殊的測試原理，因而對油污、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(cháng)期工作。在用該新型靶式流量計對氣體流量進(jìn)行檢測時(shí)，無(wú)論是線(xiàn)性度、穩定性、低流量特性、范圍度等各方面都表現出較好的特性，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構
靶式流量計是通過(guò)一塊靶板將流體所攜帶的動(dòng)壓能轉化為對靶的作用力，再經(jīng)過(guò)檢測靶板所受作用力的大小，從而計算得到相應的流速及流量。流體流動(dòng)時(shí)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(mài)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（當雷諾數達到一定值時(shí)，ζ趨于常數）；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(jiàn)式（2）：
（2）
式（2）中：D—管道內徑；α—流量系數；β—靶徑比，β=d/D（d為靶徑）；K—常系數。取D=50mm，β=0。8時(shí)，當Re>2030，流量系數α是一個(gè)常數。于是Qv就和F的開(kāi)方呈線(xiàn)性關(guān)系[6]。
電渦流傳感器機結構簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗*力強、測量線(xiàn)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。其結構如圖1。
圖1靶式流量計結構圖
電渦流傳感器固定在管道內沿，靶式流量計在工作時(shí)，流體只能沿標定的正方向流動(dòng)。當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電渦流原理實(shí)現位移檢測的，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(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應探頭時(shí)，使靶桿內部產(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，內部電路的參數發(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：當無(wú)流量時(shí)，金屬靶桿自由放置，與探頭的距離zui小，渦流效應zui強，傳感器線(xiàn)圈電感zui小，諧振時(shí)回路的等效阻抗zui小，輸出電壓zui??；當靶受力時(shí)，靶桿漸漸遠離探頭，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(zhù)變大。這樣，可根據金屬靶桿與傳感器之間的位移變化，來(lái)判斷靶受力的大小。
靶桿選用的材料是45號鋼，它是碳素結構用鋼，具有較高的強度和韌性，在多次試驗中不易變形，且探頭對它的檢測靈敏度較高。試驗中，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(dòng)部件上，并配以千分尺來(lái)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(xiàn)。測量時(shí)，在0～5mm的位移區間內，每增加0。5mm的位移量測一次電壓值。在這里選取三組實(shí)驗數據繪制成位移-電壓關(guān)系圖，見(jiàn)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，重復性非常好，尤其在0。5mm～3mm的位移時(shí)線(xiàn)性良好?？蛇x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(cháng)期可靠工作，靈敏度高，響應速度快。在無(wú)損檢測和大型旋轉機械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉速等參數進(jìn)行長(cháng)期實(shí)時(shí)監測中被廣泛應用。
2 系統設計
控制核心單元選用的是美國TI公司生產(chǎn)的單片機MSP430F435，圖4為整個(gè)系統的結構框圖。系統控制器為一片MSP430F435單片機。外部模塊包括流量檢測、壓力檢測、溫度檢測、電源模塊、鍵盤(pán)模塊、液晶顯示模塊、標準電流輸出、時(shí)鐘芯片等。
流量信號由電渦流式傳感器檢測，通過(guò)信號處理電路輸出電壓信號。將此電壓信號送入單片機的A/D處理，計算得到相應的瞬時(shí)流量和累積總量。再由單片機與AD420芯片進(jìn)行通信zui終將瞬時(shí)流量轉化為4～20mA標準電流輸出，實(shí)現流量信號的遠傳。
溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度計，鉑電阻在很寬的范圍內有相當好的穩定性，因此有*的復現性能，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對流量進(jìn)行補償。
MSP430單片機對傳感器采集的流量、溫度、壓力信號，進(jìn)行濾波、線(xiàn)性修正、密度補償等數字處理，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系統框圖
3 軟件設計
整體系統的軟件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件算法的設計以測量的性為主要目標，其主要程序流程圖如圖5。
系統的軟件部分主要包括信號采集、瞬時(shí)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(shí)流量計算模塊主要就是將A/D轉換后的流量信號，經(jīng)過(guò)壓力和溫度的實(shí)時(shí)補償，根據相應的計算公式計算出的瞬時(shí)流量值。
流量累積模塊是整個(gè)系統的核心，關(guān)系到整個(gè)儀表的精度。軟件設計思路采用1s一次的定時(shí)中斷對瞬時(shí)流量進(jìn)行累積，實(shí)現流量的累積。
為了能夠實(shí)現流量信號的遠傳需要將流量信號轉換為4～20mA的標準電流信號，也就是標準電流輸出單元。本單元的核心部分是采用AD420芯片來(lái)實(shí)現的，單片機通過(guò)串行同步/異步模塊（USART），然后再經(jīng)過(guò)AD420轉換為標準的4～20mA電流信號進(jìn)行遠距離傳輸[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 試驗數據
試驗在音速?lài)娮鞕z測裝置上進(jìn)行。音速?lài)娮熳鳛闃藴柿髁坑嫹怏w流量標準裝置，它的精度高、復現性好、性能穩定，因而被廣泛地應用于各種氣體流量計的檢測和校準[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)驗結果數據進(jìn)行分析，試驗時(shí)環(huán)境溫度為24。96℃，大氣壓為100。57kPa，管道直徑DN50。實(shí)驗結果見(jiàn)表1，并將表1的數據畫(huà)成曲線(xiàn)圖如圖6。
表1流量測量實(shí)驗數據
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(xiàn)性對應關(guān)系，這樣我們就可以根據輸出的電壓來(lái)檢測流場(chǎng)中的流量。并且在相同的實(shí)驗條件下，當氣體流量相同時(shí)，三組實(shí)驗的輸出電壓值也基本相同，即三組實(shí)驗的輸出電壓重復性較好。這就表明運用電渦流傳感器測量氣體流量是可行的。
流量計對應的響應方程通常描述成Q=f（U），Q為流量，U為對應變化的電壓。
這里對實(shí)驗中的*組數據進(jìn)行直線(xiàn)擬合，并確定其擬合公式，建立流量傳感器的數學(xué)模型。如式（3）：
Q=50。038U-3。6217（3）
單片機就可以根據電壓計算出流量值，再通過(guò)溫度和壓力的補償得到瞬時(shí)流量。
該靶式流量計所測量的流量與標準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(jià)值。
5 結語(yǔ)
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。結合MSP430單片機，具有溫度和壓力的一體化補償，抗干擾、抗雜質(zhì)能力強，智能化程度高。它既有現場(chǎng)指示流量值，又可發(fā)送標準電流信號，實(shí)現遠程控制。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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