簡(jiǎn)介：一種利用磁阻傳感器對(duì)浮子高度進(jìn)行檢測(cè)的新方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以STM32為核心微處理器的智能金屬管浮子流量計(jì)。鑒于磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性,很難通過(guò)理論的方法得到傳感器輸出信號(hào)與浮子高度(或流量)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別采用擬合曲線(xiàn)法和分段線(xiàn)性修正法得到傳感器輸出與流量之間的關(guān)系表達(dá)式。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,擬合曲線(xiàn)法測(cè)量精度優(yōu)于分段線(xiàn)性修正法。此外為減小溫度漂移對(duì)磁阻傳感器輸出信號(hào)的影響,系統(tǒng)在流量修正前增加了溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié),提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。
浮子流量計(jì)是以浮子在錐形管中隨流量變化而升降，改變它們之間的流通面積實(shí)現(xiàn)測(cè)量的體積流量?jī)x表，又稱(chēng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)。浮子流量計(jì)按材質(zhì)還可以分為玻璃管浮子流量計(jì)、塑料管浮子流量計(jì)和金屬管浮子流量計(jì)。傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計(jì)大都屬于純機(jī)械式,通過(guò)電磁感應(yīng)耦合和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu),帶動(dòng)指針顯示或者遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)向遠(yuǎn)端輸出。這種結(jié)構(gòu)雖然在--定程度上提高了測(cè)量精度,但是也對(duì)機(jī)械加工的精度提出了更高的要求,且會(huì)因?yàn)闄C(jī)械磨損導(dǎo)致測(cè)量精度下降回。因此本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式測(cè)量的智能金屬管流量計(jì)，通過(guò)磁阻傳感器將浮子高度的變換轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至微處理器,利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和流量修正，,提高了測(cè)量精度并延長(zhǎng)了儀表的使用壽命。
1浮子流量計(jì)基本結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的非接觸式金屬管浮子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測(cè)流體從錐形管自下而上流動(dòng)時(shí),浮子受到上升的升力,當(dāng)浮子受到的.上升力與其所受的浮力之和大于浮子的重力時(shí),浮子就會(huì)上升,當(dāng)浮子上升到一定高度時(shí),浮子所受的力達(dá)到平衡,浮子最終將穩(wěn)定在某-特定高度。浮子在錐形管中的高度與流體通過(guò)錐形管的流速(流量)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此只需測(cè)得當(dāng)前浮子的高度即可得到流量值。
浮子在錐形管中的高度與流體通過(guò)錐形管的流速(流量)有對(duì)應(yīng)關(guān)系,但由于磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性,很難通過(guò)理論的方法得到浮子高度與磁阻傳感器輸出值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用擬合曲線(xiàn)法和分段線(xiàn)性修正法近似得出該對(duì)應(yīng)關(guān)系。
擬合曲線(xiàn)法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，得到傳感器的輸出值與當(dāng)前流速的關(guān)系表達(dá)式,因此只需獲得傳感器的輸出值,就可以算出當(dāng)前的流速。分段線(xiàn)性修正法是將整個(gè)量程劃分為若干個(gè)段,每段采用不同的修正函數(shù)進(jìn)行流量修正。本文以管道直徑為80mm.流體類(lèi)型為液體的條件下進(jìn)行試驗(yàn)(如無(wú)特別說(shuō)明，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)條件均為此),此條件下的測(cè)量范圍為2.5~25m3/h。由于磁阻傳感器(KMY20)的輸出受溫度影響較大，因此需在流量修正前增加溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
2測(cè)量方法
整個(gè)測(cè)量過(guò)程包括信號(hào)獲取,溫度補(bǔ)償、流量修正、LCD液晶顯示等環(huán)節(jié)。
信號(hào)采集包括溫度傳感器輸出信號(hào)獲取和磁阻傳感器信號(hào)獲取,溫度傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)SPI方式傳送給微處理器,用于對(duì)磁阻傳感器的輸出做溫度補(bǔ)償，磁阻傳感器的輸出信號(hào)將用于流量計(jì)算,經(jīng)過(guò)信號(hào)放大處理后直接傳送至微處理器。圖2為磁阻傳感器輸出信號(hào)處理的硬件電路圖。包括電源模塊差分放大模塊和電壓跟隨模塊。電源模塊采用恒流源給KMY20磁阻傳感器供電,在--定程度上減小了溫漂對(duì)傳感器輸出的影響"。差分模塊完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)的放大處理，電壓跟隨模塊減小了傳感器的輸出阻抗。從圖2可知,經(jīng)放大處理后，傳感器的輸出信號(hào)幅值為:
圖3是傳感器輸出信號(hào)與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，可見(jiàn)在一定范圍內(nèi),傳感器輸出信號(hào)幅值與溫度成反比關(guān)系,可以得到:
在上一節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)，非接觸式浮子流量計(jì)流量測(cè)量方法有擬合曲線(xiàn)法和分段線(xiàn)性修正法，接下來(lái)將具體介紹這兩種方法。表1是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳感器輸出V2與當(dāng)前流量(流速)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
將傳感器的輸出V2代入式(6).(7).(8)即可得到當(dāng)前流量，繼而處理器通過(guò)SPI通信將流暈信息傳送至LCD顯示模塊。表2~表4分別是n=1,2,3時(shí)采用擬合曲線(xiàn)法設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果,并算出示值誤差。示值誤差的計(jì)算公式為:
其中Qmax為儀表最大測(cè)量流量,Qvs為被檢流量計(jì)測(cè)得的流量,Qn為標(biāo)準(zhǔn)流量裝置在該點(diǎn)該測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。
從表2~表4可知，以階數(shù)n=1得到的擬合曲線(xiàn)計(jì)算流體流量,示值誤差最大在2%以.上,擬合效果不理想,而以階數(shù)n=3得到的擬合曲線(xiàn)計(jì)算流體流量時(shí),示值誤差在1%以?xún)?nèi),滿(mǎn)足測(cè)量要求,但由于擬合方程相對(duì)復(fù)雜,加大了算法的復(fù)雜度,使流量計(jì)算占用CPU時(shí)間變長(zhǎng),降低了系統(tǒng)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。所以本設(shè)計(jì)選擇n=2時(shí)擬合得到的方程來(lái)計(jì)算流量,不僅滿(mǎn)足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,而且系統(tǒng)的測(cè)量精度也在1%以?xún)?nèi)。
分段修正法將整個(gè)測(cè)量范圍分為6~12個(gè)段，每段之間采用不同的線(xiàn)性方程進(jìn)行修正。表5是采用分段線(xiàn)性法設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)所測(cè)流量與標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)流量的數(shù)據(jù)。
對(duì)比擬合曲線(xiàn)法(n=2)和分段線(xiàn)性修正法的測(cè)量結(jié)果可以看出,擬合曲線(xiàn)法的示值誤差較分段線(xiàn)性修正法高,所以采用擬合曲線(xiàn)法更利于提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
3結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一款高性能的智能型浮子流量計(jì)，為保證測(cè)量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在流量計(jì)算前增加了溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié),減少了溫度對(duì)傳感器輸出的影響。分別采用了擬合曲線(xiàn)法和分段線(xiàn)性修正法進(jìn)行流量修正,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,擬合曲線(xiàn)法的測(cè)量精度明顯優(yōu)于分段線(xiàn)性法。
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