0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)和科研測(cè)量中，經(jīng)常遇到小流量、低雷諾數(shù)的流量測(cè)量。轉(zhuǎn)子流量計(jì)由于具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、壓力損失較小且恒定、測(cè)量介質(zhì)種類多、工作可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便、對(duì)儀表前直管段要求不高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。
轉(zhuǎn)子流量計(jì)的浮子位移與流量之間存在明確對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，測(cè)出浮子位移即可確定流量大小。由于流量計(jì)的浮子位移不能直接讀出，所以，將磁鋼封入浮子內(nèi)，由設(shè)在轉(zhuǎn)換器內(nèi)的磁耦合機(jī)構(gòu)得到浮子位移，并由位移傳感器將與流量對(duì)應(yīng)的浮子位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)遠(yuǎn)傳輸出。目前，常用的位移傳感器有兩種：差動(dòng)變壓器式傳感器和電容式角位移傳感器；但是，使用兩種位移傳感器要獲得與流量對(duì)應(yīng)的位移信號(hào)，需要通過磁鋼耦合以及相應(yīng)的四連桿、凸輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行非線性修正和傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，無法實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器全電子化、小型化、智能化。為此，推出了采用霍爾傳感器檢測(cè)浮子位移的新型流量計(jì)。
1 系統(tǒng)構(gòu)成原理
該流量計(jì)采用線性霍爾傳感器檢測(cè)浮子位移，配合單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，去掉了磁鋼耦合、非線性修正及傳動(dòng)等機(jī)械機(jī)構(gòu)，其工作原理如圖1所示。
當(dāng)被測(cè)流體自下而上流過錐管時(shí)，浮子產(chǎn)生位移，通過線性霍爾傳感器的磁力線角度就會(huì)發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器輸出相應(yīng)電壓，該輸出電壓輸入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行處理后，可驅(qū)動(dòng)顯示器顯示流量并輸出與流量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，也可通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交換。
2 霍爾傳感器檢測(cè)浮子位移的基本原理
因?yàn)榉馊敫∽又械拇配摰拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度隨著被測(cè)介質(zhì)溫度的變化而變化，長(zhǎng)期使用后，還會(huì)產(chǎn)生退磁。因此，采用霍爾傳感器[1]檢測(cè)浮子位移時(shí)，必須消除磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的影響。另外，霍爾傳感器的霍爾靈敏度系數(shù)也會(huì)隨著溫度的變化而變化，采用霍爾傳感器檢測(cè)浮子位移時(shí)，必須同時(shí)消除霍爾靈敏度系數(shù)變化的影響。為此，在流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器中對(duì)應(yīng)浮子位移范圍中間位置處放置2個(gè)特性一致的霍爾傳感器，2個(gè)霍爾傳感器的磁敏感面互成90°。霍爾傳感器的輸出電壓由下式確定
E1＝K1I1B1sinθ，
E2＝K2I2B2sin（90°－θ），
式中K1，K2為霍爾靈敏度系數(shù)，V/（A?T）；I1，I2為霍爾元件的激勵(lì)電流，A；B1，B2為霍爾傳感器所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；θ為磁力線相對(duì)于霍爾傳感器的磁敏感面的傾斜角。因?yàn)?個(gè)霍爾傳感器選用特性一致的同一型號(hào)霍爾傳感器，采用同一激勵(lì)電流，處于同一高度位置，所以，有K1＝K2，I1＝I2，B1＝B2?？傻?/p>
E1/E2＝sinθ/sin（90o－θ）＝sinθ/cosθ＝tgθ，
θ＝arctg（E1/E2）。
可見，由E1，E2可求出磁力線的傾斜角度，求出傾斜角θ就可以得到浮子的位移。
3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[2]的原理框圖如圖2所示。線性霍爾傳感器將浮子位移轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由放大器放大后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由16位MCU進(jìn)行運(yùn)算處理和非線性修正后求得流量值，一方面送LCD顯示器顯示；另一方面送入DAC轉(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)輸出轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。另外，還可通過串行通信接口RS-485與各種處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
4 測(cè)試結(jié)果
在常溫下以水作為標(biāo)定介質(zhì)，采用容積法對(duì)流量計(jì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1。
表1 流量計(jì)測(cè)試結(jié)果
標(biāo)稱值
（L/h） | 實(shí)測(cè)流量（L/h） |
正 | 反 | 正 | 反 | 正 | 反 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
70 | 70.356 | 68.964 | 69.500 | 71.421 | 69.156 | 68.0058 |
200 | 194.532 | 196.008 | 195.978 | 196.796 | 195.496 | 194.135 |
400 | 396.765 | 404.824 | 398.002 | 403.945 | 397.215 | 402.563 |
600 | 592.895 | 594.002 | 593.238 | 595.112 | 593.596 | 596.778 |
700 | 695.016 | 696.456 | 697.116 | 695.256 | 694.338 | 699.738 |
流量計(jì)每個(gè)流量點(diǎn)的示值誤差為
γi＝[（Qi－Qsi）/Qmax]×99%，
式中γi為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)的基本誤差；Qi為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)的示值流量，L/h；Qsi為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)在同行程n次校驗(yàn)中實(shí)測(cè)流量的算術(shù)平均值，L/h；Qmax為流量計(jì)測(cè)量范圍的上限值，L/h。所有流量點(diǎn)中示值誤差的值即為該流量計(jì)的示值誤差，計(jì)算結(jié)果為0.97%。
流量計(jì)每個(gè)流量點(diǎn)的回差為
△i＝[（Qfi－Qri）/Qmax]×99%，
式中△i為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)的回差；Qfi為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)在正行程n次校驗(yàn)中實(shí)測(cè)流量的算術(shù)平均值，L/h;Qri為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)在反行程n次校驗(yàn)中實(shí)測(cè)流量的算術(shù)平均值，L/h。所有流量點(diǎn)中回差的值即為該流量計(jì)的回差，計(jì)算結(jié)果為0.92%。
流量計(jì)每個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性為
式中σi為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)的重復(fù)性均方根誤差；Qij為流量計(jì)第i個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)同行程第j次校驗(yàn)的實(shí)測(cè)流量，L/h；n為每個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)正、反行程的校驗(yàn)次數(shù)。所有流量點(diǎn)中重復(fù)性均方根誤差的值，即為該流量計(jì)的重復(fù)性，計(jì)算結(jié)果為0.33%。
采用磁鋼耦合的流量計(jì)的示值誤差、回差和重復(fù)性分別為2.0%，2.0%和0.75%。
5 結(jié)束語
由于采用霍爾傳感器進(jìn)行位移檢測(cè)，使流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器不需要任何可動(dòng)的機(jī)械零件，消除了機(jī)械零件之間摩擦力和傳動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的全電子化和小型化；同時(shí)，采用16讓單片機(jī)進(jìn)行線性修正和運(yùn)算，從而使流量計(jì)的準(zhǔn)確度、回差和重復(fù)性等主要指標(biāo)得到了明顯提高。
由以上分析可見，霍爾傳感器在流量計(jì)中的應(yīng)用，使流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了電子化、小型化、數(shù)字化和智能化，提高了流量計(jì)的性能，增加了流量計(jì)的功能，并使得開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線型的流量計(jì)成為可能。
參考文獻(xiàn)：
[1] 馬西秦，許振忠. 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.115－124.
[2] 王福瑞. 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.100－270．
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