簡介：一種利用磁阻傳感器對(duì)浮子高度進(jìn)行檢測的新方法，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(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(dá)式。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(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)測量的體積流量儀表，又稱轉(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)致測量精度下降回。因此本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式測量的智能金屬管流量計(jì)，通過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，,提高了測量精度并延長了儀表的使用壽命。
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錐形管的流速(流量)有對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，因此本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用擬合曲線法和分段線性修正法近似得出該對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　擬合曲線法是通過實(shí)驗(yàn)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(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.流體類型為液體的條件下進(jìn)行試驗(yàn)(如無特別說明，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償環(huán)節(jié)。
2測量方法
　　整個(gè)測量過程包括信號(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，可見在一定范圍內(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，非接觸式浮子流量計(jì)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(shí)驗(yàn)測得的傳感器輸出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)采用擬合曲線法設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)的測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表所測數(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為儀表最大測量流量,Qvs為被檢流量計(jì)測得的流量,Qn為標(biāo)準(zhǔn)流量裝置在該點(diǎn)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(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得到的擬合曲線計(jì)算流體流量時(shí),示值誤差在1%以內(nèi),滿足測量要求,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,降低了系統(tǒng)測量的實(shí)時(shí)性。所以本設(shè)計(jì)選擇n=2時(shí)擬合得到的方程來計(jì)算流量,不僅滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(gè)測量范圍分為6~12個(gè)段，每段之間采用不同的線性方程進(jìn)行修正。表5是采用分段線性法設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)所測流量與標(biāo)準(zhǔn)表所測流量的數(shù)據(jù)。
 
　　對(duì)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(jì)了一款高性能的智能型浮子流量計(jì)，為保證測量精度和系統(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法和分段線性修正法進(jìn)行流量修正,實(shí)驗(yàn)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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