金屬管浮子流量計/金屬管轉(zhuǎn)子流量計

      傳統(tǒng)的機(jī)械式金屬管浮子流量計，由于其局限性，無法進(jìn)行流量的計量。即便是改進(jìn)型的機(jī)械式金屬管浮子流量計，用凸輪板和轉(zhuǎn)角變送器進(jìn)行修正，雖能提高精度，但凸輪板的加工需要考慮不同測量介質(zhì)及工況條件，且機(jī)加工的復(fù)雜度很高，流量計量的精度仍受到加工精度的限制。因此，設(shè)計了一種可以通過微處理器靈活配置參數(shù)、適應(yīng)不同測量介質(zhì)和工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過自行設(shè)計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉(zhuǎn)換為反映角度變化的電信號，利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)字模型進(jìn)行流量計算，克服了凸輪式機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計算固有的弊端。
 1 引言
   
傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計屬于機(jī)械式，通過電磁感應(yīng)耦合和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)帶動指針顯示或遠(yuǎn)傳。該方式存在機(jī)械磨損、遲滯、精度低等缺點。
   
為此，本文研制一種基于霍爾元件的新型智能金屬管浮子流量計。通過浮子內(nèi)嵌的*磁體，利用霍爾元件檢測磁場變化，確定浮子位置。
    2 結(jié)構(gòu)原理
   
金屬管浮子流量計結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。其中，傳感器由一個錐形管、一個置于錐形管內(nèi)可以上下自由移動的浮子（內(nèi)嵌磁鋼）組成，虛線部分為信號處理單元。
    根據(jù)流量方程式的推導(dǎo)，可得體積流量公式
        （1）
    其中，Qv— 體積流量；a— 流量系數(shù)；DD—標(biāo)尺零點處錐形管直徑；h— 浮子位置；φ—
    本文設(shè)計的金屬管浮子流量計采用磁阻傳感器進(jìn)行角位移檢測，使流量計的轉(zhuǎn)換器不需要任何可動的機(jī)械零件，消除了機(jī)械零件之間摩擦力和傳動誤差，實現(xiàn)了流量計轉(zhuǎn)換器的全電子化和小型化；同時，采用MSP430單片機(jī)進(jìn)行線性修正和運(yùn)算，從而使流量計的準(zhǔn)確度、回差和重復(fù)性等主要指標(biāo)得到了明顯提高。可通過按鍵，HART375手操器或者組態(tài)軟件進(jìn)行多點修正、小流量切除值設(shè)置、報警設(shè)置、量程范圍設(shè)置、瞬時流量和累積流量小數(shù)點設(shè)置等功能。本文設(shè)計的金屬管浮子流量計具有小型化、數(shù)字化、智能化和低功耗等特點，已成功投產(chǎn)。錐形管錐半角；Vf— 浮子體積；ρf— 浮子材料密度；Sf—
浮子垂直于流向的zui大截面積。從流量公式（1）可見，實現(xiàn)流量測量的精度決定于浮子高度的準(zhǔn)確測量。

   
該裝置采用雙霍爾元件作為敏感元件，通過其對磁場變化的檢測，探求霍爾元件輸出電壓值U與浮子高度h的函數(shù)關(guān)系，即
    U=f（h）     （2）
   
管壁外的雙霍爾敏感元件將磁場的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的流量測量，并可現(xiàn)場顯示或遠(yuǎn)傳。
    3 浮子位置檢測的實驗研究
  
霍爾元件測量浮子位置原理圖，如圖2所示。其中H1和H2為儀表盒中的霍爾元件，浮子運(yùn)動方向如圖2所示，行程為60mm，當(dāng)變送器工作時，浮子根據(jù)流量的變化而上下運(yùn)動，使切割兩個霍爾元件的敏感區(qū)磁力線產(chǎn)生變化，因此霍爾元件的輸出可反映磁鋼位置，即反映出流體流量大小。
    霍爾輸出電勢UH為  
    UH=KHIBcosθ            （3）
    式中，KH— 元件的靈敏度；
         θ— 磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾片平面法線所成角度；
    霍爾元件采用恒流源供電，溫度性能較好。由（3）式可知：
    ①輸出電壓UH與KH、輸入電流I及磁場強(qiáng)度Bcosθ成正比；
    ②由于θ角是浮子位置h的函數(shù)，所以Bcosθ=g（h）；
    ③由于電子遷移率μ和載流子濃度n隨溫度變化導(dǎo)致電阻率  、霍爾系數(shù) 或靈敏度系數(shù)
等，均隨溫度而變化，因此霍爾電勢UHzui終為溫度T及浮子位置h的二元函數(shù)，即
    UH=F（T，h）     （4）
    顯然，實現(xiàn)浮子位置的準(zhǔn)確檢測，關(guān)鍵是建立（4）式的函數(shù)關(guān)系。
    本文設(shè)計的金屬管浮子流量計采用磁阻傳感器進(jìn)行角位移檢測，使流量計的轉(zhuǎn)換器不需要任何可動的機(jī)械零件，消除了機(jī)械零件之間摩擦力和傳動誤差，實現(xiàn)了流量計轉(zhuǎn)換器的全電子化和小型化；同時，采用MSP430單片機(jī)進(jìn)行線性修正和運(yùn)算，從而使流量計的準(zhǔn)確度、回差和重復(fù)性等主要指標(biāo)得到了明顯提高。可通過按鍵，HART375手操器或者組態(tài)軟件進(jìn)行多點修正、小流量切除值設(shè)置、報警設(shè)置、量程范圍設(shè)置、瞬時流量和累積流量小數(shù)點設(shè)置等功能。本文設(shè)計的金屬管浮子流量計具有小型化、數(shù)字化、智能化和低功耗等特點，已成功投產(chǎn)。