簡介：一種利用磁阻傳感器對浮子高度進行檢測的新方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了以STM32為核心微處理器的智能金屬管浮子流量計。鑒于磁場分布的復(fù)雜性,很難通過理論的方法得到傳感器輸出信號與浮子高度(或流量)之間的對應(yīng)關(guān)系，以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別采用擬合曲線法和分段線性修正法得到傳感器輸出與流量之間的關(guān)系表達式。通過對比實驗表明,擬合曲線法測量精度優(yōu)于分段線性修正法。此外為減小溫度漂移對磁阻傳感器輸出信號的影響,系統(tǒng)在流量修正前增加了溫度補償環(huán)節(jié),提高了系統(tǒng)的測量精度。
浮子流量計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現(xiàn)測量的體積流量儀表，又稱轉(zhuǎn)子流量計。浮子流量計按材質(zhì)還可以分為玻璃管浮子流量計、塑料管浮子流量計和金屬管浮子流量計。傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計大都屬于純機械式,通過電磁感應(yīng)耦合和機械連桿機構(gòu),帶動指針顯示或者遠(yuǎn)傳機構(gòu)向遠(yuǎn)端輸出。這種結(jié)構(gòu)雖然在--定程度上提高了測量精度,但是也對機械加工的精度提出了更高的要求,且會因為機械磨損導(dǎo)致測量精度下降回。因此本文設(shè)計了一種非接觸式測量的智能金屬管流量計，通過磁阻傳感器將浮子高度的變換轉(zhuǎn)換為電信號傳送至微處理器,利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)溫度補償和流量修正，,提高了測量精度并延長了儀表的使用壽命。
1浮子流量計基本結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的非接觸式金屬管浮子流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測流體從錐形管自下而上流動時,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,浮子就會上升,當(dāng)浮子上升到一定高度時,浮子所受的力達到平衡,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錐形管的流速(流量)有對應(yīng)關(guān)系。因此只需測得當(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錐形管的流速(流量)有對應(yīng)關(guān)系,但由于磁場分布的復(fù)雜性,很難通過理論的方法得到浮子高度與磁阻傳感器輸出值的對應(yīng)關(guān)系，因此本文基于實驗數(shù)據(jù)分別采用擬合曲線法和分段線性修正法近似得出該對應(yīng)關(guān)系。
擬合曲線法是通過實驗測得的數(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。分段線性修正法是將整個量程劃分為若干個段,每段采用不同的修正函數(shù)進行流量修正。本文以管道直徑為80mm.流體類型為液體的條件下進行試驗(如無特別說明，后續(xù)的實驗條件均為此),此條件下的測量范圍為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償環(huán)節(jié)。
2測量方法
整個測量過程包括信號獲取,溫度補償、流量修正、LCD液晶顯示等環(huán)節(jié)。
信號采集包括溫度傳感器輸出信號獲取和磁阻傳感器信號獲取,溫度傳感器的輸出信號通過SPI方式傳送給微處理器,用于對磁阻傳感器的輸出做溫度補償，磁阻傳感器的輸出信號將用于流量計算,經(jīng)過信號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傳感器輸出的影響"。差分模塊完成對傳感器輸出信號的放大處理，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，傳感器的輸出信號幅值為:
圖3是傳感器輸出信號與溫度的關(guān)系曲線，可見在一定范圍內(nèi),傳感器輸出信號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，非接觸式浮子流量計流量測量方法有擬合曲線法和分段線性修正法，接下來將具體介紹這兩種方法。表1是實驗測得的傳感器輸出V2與當(dāng)前流量(流速)的對應(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時采用擬合曲線法設(shè)計的浮子流量計的測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表所測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果,并算出示值誤差。示值誤差的計算公式為:
其中Qmax為儀表最大測量流量,Qvs為被檢流量計測得的流量,Qn為標(biāo)準(zhǔn)流量裝置在該點該測得的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。
從表2~表4可知，以階數(shù)n=1得到的擬合曲線計算流體流量,示值誤差最大在2%以.上,擬合效果不理想,而以階數(shù)n=3得到的擬合曲線計算流體流量時,示值誤差在1%以內(nèi),滿足測量要求,但由于擬合方程相對復(fù)雜,加大了算法的復(fù)雜度,使流量計算占用CPU時間變長,降低了系統(tǒng)測量的實時性。所以本設(shè)計選擇n=2時擬合得到的方程來計算流量,不僅滿足了系統(tǒng)的實時性要求,而且系統(tǒng)的測量精度也在1%以內(nèi)。
分段修正法將整個測量范圍分為6~12個段，每段之間采用不同的線性方程進行修正。表5是采用分段線性法設(shè)計的浮子流量計所測流量與標(biāo)準(zhǔn)表所測流量的數(shù)據(jù)。
對比擬合曲線法(n=2)和分段線性修正法的測量結(jié)果可以看出,擬合曲線法的示值誤差較分段線性修正法高,所以采用擬合曲線法更利于提高系統(tǒng)的測量精度。
3結(jié)束語
本文設(shè)計了一款高性能的智能型浮子流量計，為保證測量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在流量計算前增加了溫度補償環(huán)節(jié),減少了溫度對傳感器輸出的影響。分別采用了擬合曲線法和分段線性修正法進行流量修正,實驗結(jié)果表明,擬合曲線法的測量精度明顯優(yōu)于分段線性法。
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