新型靶式流量计的设计与研究

0 引言

靶式流量计有插入式、固定式和多点式等接入方式，可以测量非黏性或高黏性的超高温超高压的流体流量，还可以与密度计组合测量气液两相流、气固两相流、液固两相流流量以及油气水三相流流量。

靶式流量计是差压型流量计的一种，其流量传感器先后经历了力平衡式、应变式和微位移式。其中，力平衡式因为本身固有的缺陷，已经完全从市场上退出。由于靶式流量计独有的特点，使其广泛地应用于冶金、石油、化工、能源、食品、环保等领域的流量测量。

应变式是利用若干个应变片并把它们安装在弹性体不同的位置，构成一个平衡电桥，该电桥可以测量出弹性体在力作用下产生的形变信号，从而得出引起弹性体形变的力。但是安装应变片时存在着效率低、精度低和一致性差的缺陷，而且应变片在使用过程中容易发生偏转、漂移，测量精度受到影响。

微位移式是电容式位移传感器。虽然电容式位移传感器得到市场的认可，但它具有下列不足：信号需要转换，在大量程下呈现信号输出的非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度影响较大，联接电路的结构较复杂，尤其是仍然存在着零点漂移的缺陷。

为了解决上述靶式流量计存在的问题，该文提出一种新型的靶式流量计传感器，即磁致伸缩式位移传感器，来克服现有靶式流量计的缺陷。

1 磁致伸缩式位移靶式流量计的工作原理

1.1 磁致伸缩式位移传感器原理

磁致伸缩式位移传感器是一种以磁致扭转波为传播媒介的传感器。它是利用2个不同的磁场，一个来自活动磁铁，另一个则来自电子部件产生的电流脉冲，如图1所示。当这2个磁场相遇时，会产生一个应变脉冲信号，并以声波的速度返回电子部件的检测线圈，通过测量电流脉冲从产生到返回的应变脉冲所需的时间，再乘以声波的速度，便能准确地计算出位置磁铁的绝对位移。

图1 磁致伸缩式位移传感器

1.2 磁致伸缩式位移靶式流量计原理

基于磁致伸缩式位移传感器的靶式流量计主要由力产生装置和力转换单元两部分组成。图2为靶式流量计的结构图。

图2 新型靶式流量计结构图

力产生装置即测量元件，是一个放在管道中心的圆形靶片，当流体冲击到靶片时，使靶片受力并产生相应的微小位移。靶片受到的作用力与流体流速的平方、流体密度及靶的受力面积成正比。

式中：F为靶片受到的力（N）；k为阻力系数；ρ为流体密度（kg/m³）；υ为流体速度（m/s）；A为靶片面积（m²）。

流量计算公式

式中：Q_υ为流体体积流量（m³/s）；D为管道直径（m）；β为靶径比；k_a为流量系数；k₁为常数。

由此得出流量与靶片受力的开方成线性关系。

弹性管连接传感器活动磁铁，当靶片受力导致靶杆移动，靶杆带动弹性管，这样，测量力的信号就转换成测量位移的信号。

这种传感器安装便捷，能承受高温、高压等复杂环境，最主要的是传感器输出信号为绝对位移值，免除了放大器环节，因而不存在信号漂移的情况，采用隔热结构，还可以最大限度地减弱温漂，而且不需要定期重新标定，即使电源出现突然断电等问题，数据也不会丢失。由于敏感元件是非接触的，可以极大地提高检测的可靠性和使用寿命。尽管磁致伸缩式位移传感器与应变式或微位移式传感器相比，优势明显，但也有一些不足，例如，传感器的体积较大，在实现高精度测量时对单片机和移相器要求较高。但是，随着科学技术及加工技术的发展，这些不足会得到解决。

2 硬件电路设计

流量计的硬件电路如图3所示，由电源模块、信号模块、单片机处理系统及液晶显示模块、按键模块、通信模块等组成。

图3 系统模块图

在二次仪表的设计中，经过分析比较，选择了美国TI公司生产的MSP430F435单片机作为控制芯片。这是因为MSP430系列单片机不但具有超低功耗的特点，而且性价比高、运算速度快以及功能模块丰富等，非常适合于要求高集成度、低成本的场合，尤其是流量计测量领域。

流量信号由磁致伸缩式位移传感器检测，通过信号处理送入单片机中，计算得到瞬时流量和累积流量。最后由AD420芯片输出电流或者电压信号。

当管道中流过的介质在不同的温度和压力下，它的密度也是不同的，因此需要考虑对流体的密度进行修正。

2.1 温度检测电路

采用铂丝热电阻，温度信号由两根线发送到主控电路板上，通过信号放大再送到主控芯片上进行相应处理。电路如图4所示。

图4 温度采集电路原理图

2.2 压力检测电路

电阻应变式传感器检测压力信号，一般采取测量电桥的方法。图5为测量电桥电路。

图5 电桥电路

3 软件设计

使用IAREmbeddedWorkbench开发环境，它不仅提供了C语言编程，而且还为MSP430设计了许多专用开发工具。软件系统采用C语言编写，在算法的设计要求中，以测量精度最优为目标。软件系统主要完成硬件初始化，实现各种检测、修正、补偿等功能。

整个程序设计步骤如下：

1）设计软件的整体结构，划分子程序模块。

2）模块化编程，子程序模块分别设计。

3）结构化编程，合理使用转移和调用，将子程序模块有机地组合成整体。

系统的应用程序由下列子程序构成：系统初始化、运行参数设置、温度压力检测、流量补偿算法、液晶显示、按键处理、远传通信等。软件流程如图6所示。

图6 软件流程

流量计量的关键技术就是计量曲线的选取，通常流量计计量模型是所受的作用力（力相关的信号）与介质流速的平方成正比，这种数学模型在一定流速范围内可以精确计量，但是对于小流量和较大流量的计量，误差就比较大。

为了改进上面的缺点，采用分段确定曲线线性的方法进行流量计算，使计量的精度进一步提高。软件特点如下：

1）采用C语言编程，它支持结构化编程，它的模块化结构可以给编程者带来了极大的方便。

2）在流量计算程序中，采用了流体密度的温压补偿，流量系数迭代修正等算法，提高了精度，扩大了量程。

3）按键处理模块可以实现流量单位选择、小数点位数选择、流量报警限值修改等，进而提高了仪表使用的灵活性。

4 实验数据

磁致伸缩式靶式流量计是自主设计的新型流量计，以前在行业中还没有此种流量计，其性能必须通过实验来检验。

用水塔及配套设备对流量计进行检测，数据见表1。从表1中可以初步得出以下结论：靶式流量计在设计量程内的引用误差都在1%之下，可以用于工业等领域的测量。相信通过不断地研究改进后，精度、量程比还会提高。

表1 实验数据

5 结论

设计的新型靶式流量计，采用磁致伸缩式位移传感器进行流量信号检测，运用单片机进行信号处理，具有温度和压力的补偿功能。结构简单、精确度高，在小流量、高黏度、易凝易堵等流量计量困难的工况中具有良好的应用前景。