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1 電容式靶式流量計的工作原理

電容式靶式流量計的傳感器由力產(chǎn)生裝置和力轉(zhuǎn)換單元兩部分組成。圖1為傳感器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器的力產(chǎn)生裝置即測量元件，是一個放在管道中心的圓形靶，流體流動時沖擊到靶上，使靶面受力并產(chǎn)生相應(yīng)的微小位移。靶所受的作用力與流體流速的平方、流體密度及靶的受力面的面積成正比[6]。即：

 （1）

式（1）中：F—圓形靶所受到的力；k—阻力系數(shù)；ρ—流體密度；u—靶和管壁間環(huán)流面的平均流速；A—靶的迎流面積（A=πd2/4，d為靶徑）。

由式（1）可知流體的體積流量和靶所受作用力的關(guān)系：

 （2）

式（2）中：QV—流體的體積流量；D—管道內(nèi)徑；β—靶徑比；kα—流量系數(shù)；k1—常系數(shù)。

當(dāng)雷諾數(shù)Re大于2030時，流量系數(shù)kα趨向于一常數(shù)，因此體積流量QV與靶所受作用力F的開方呈線性關(guān)系。

傳感器的力轉(zhuǎn)換裝置為一差動電容結(jié)構(gòu)，由兩組對稱安裝的電容組成，如圖1。差動電容組的兩片動電極能隨著靶桿的微小偏移而發(fā)生位移，而兩片靜電極位置固定不動。因此，當(dāng)靶桿發(fā)生微小偏移之后，兩組電容的電容極間距都發(fā)生了變化：一組電容極間距減小，電容值增大；另一組電容極間距增加，電容值減小。從而原本對稱安裝、電容值相同的兩組電容產(chǎn)生了一個電容差值。若靶受到流體沖擊時，受力為F，動電極隨靶桿發(fā)生微小偏移Δx，而電容原始極間距為d，Δx相對于d極為微小，則差動電容值C與偏移Δx存在以下關(guān)系：

 （3）

式（3）中：C1、C2—兩組電容的電容值；ε—介電常數(shù)；S—極板相對面積。

由式（3）可以得出以下關(guān)系：

 （4）

即體積流量QV與差動電容值C的開方亦存在線性關(guān)系。因此可以通過檢測差動電容值，來判斷體積流量的大小。這就是電容式靶式流量計的基本測量原理。

2 硬件電路設(shè)計

流量計二次儀表的硬件電路主要由電源模塊、信號處理模塊、數(shù)字處理及顯示模塊、按鍵模塊、通訊模塊等組成（圖2）。

圖2 二次儀表系統(tǒng)框圖

在二次儀表的設(shè)計中，選用超低功耗的MSP430f147單片機(jī)作為核心控制芯片。MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器推出的性能優(yōu)良的16位單片機(jī)，具有功耗低、運(yùn)算速度快以及功能模塊豐富等特點(diǎn)。MSP430f147單片機(jī)將采樣的流量、溫度、壓力信號，進(jìn)行濾波、線性修正、密度補(bǔ)償?shù)葦?shù)字處理，并在液晶上顯示實(shí)時的瞬時流量、累積流量、溫度和壓力。同時可以通過按鍵對各類參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修改。此外，儀表還具有電池欠壓檢測、保護(hù)及過量程報警等功能。

傳感器上選用了高精度的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7745，可直接對傳感器差動電容值進(jìn)行測量，并通過I2C串行接口將轉(zhuǎn)換到的數(shù)字信號（0-65535）輸出給單片機(jī)進(jìn)行處理。同時AD7745芯片與差動電容組近距離安裝，可有效減小寄生電容的干擾，提高傳感器的靈敏度。

管道中流過的流體在不同的溫度和壓力下，它的密度也是不同的，因此需要對流體的密度進(jìn)行溫壓補(bǔ)償[7]。由于單片機(jī)MSP430f147的ADC模塊支持快速的12位A/D轉(zhuǎn)換，采樣速度快，能滿足大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場合[8]。利用這一功能，溫度傳感器和壓力傳感器輸出的模擬量信號送至單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后采用數(shù)字濾波方式來減小隨機(jī)誤差，以提高溫度和壓力測量的準(zhǔn)確性。單片機(jī)再進(jìn)行一系列數(shù)字處理來實(shí)現(xiàn)流量的密度補(bǔ)償[9]。溫度傳感器選用Pt1000熱電阻溫度傳感器[10]，精度可達(dá)0.1℃。壓力傳感器選用精度等級為0.5級的壓力變送器，量程范圍為0～1MPa。通過密度補(bǔ)償能有效提高流量測量的精度。

儀表設(shè)計的通訊模塊可實(shí)現(xiàn)脈沖輸出、0～10V電壓輸出、4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出[11]、以及RS485通訊等，可以有效滿足流量計工業(yè)應(yīng)用中的多種需求。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要為完成各硬件模塊的初始化，實(shí)現(xiàn)各種檢測、修正、補(bǔ)償?shù)裙δ?，以及各種參數(shù)的輸入與顯示，從而保證流量計測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)主程序流程如圖3。

圖3　主程序流程圖

軟件具有以下特點(diǎn)：

1）程序采用了C語言編寫，充分利用了語言的數(shù)值計算能力，程序的計算精度與匯編程序相比有了很大提高。同時程序的可移植性增強(qiáng)，便于檢查、修改、擴(kuò)充和閱讀。

2）流量測試中，軟件采用了多種修正算法，如：數(shù)字濾波，傳感器零點(diǎn)修正，傳感器的線性修正，二次儀表零點(diǎn)修正，流體密度的溫壓補(bǔ)償?shù)鹊龋瑥亩箿y試精度和量程范圍大大提高。

3）軟件中按鍵處理模塊可實(shí)現(xiàn)對各類參數(shù)在線修改，包括：傳感器零點(diǎn)與系數(shù)的修改，流量單位以及小數(shù)點(diǎn)位數(shù)的選擇，流量報警限值的修改等。從而大大提高了儀表使用的靈活性。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對流量傳感器各部件的設(shè)計、安裝，將流量計的滿量程設(shè)計為100m3/h，并選用流量計的液表模式在大型水流量試驗(yàn)裝置中進(jìn)行測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：流量計在量程比為15∶1時，測量精度可達(dá)0.5級，除在小流量測量段誤差較大外，在其他測量段，引用誤差均小于0.5%，精度和量程比較傳統(tǒng)靶式流量計都有很大提高，具有很高的應(yīng)用價值。

5 結(jié)語

本文介紹的新型電容式靶式流量計，其傳感器部分采用差動電容結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈敏度高。另外，儀表設(shè)計中了采用修正、補(bǔ)償?shù)?多種數(shù)字處理方式，使流量計較現(xiàn)有常用的各類型靶式流量計在測量精度上有很大的提高。該流量計在試驗(yàn)中體現(xiàn)了較好的測量準(zhǔn)確度和測量穩(wěn)定性，加之其*的抗干擾、抗雜質(zhì)性能，除能測量常規(guī)流量計量問題外，它在小流量、高粘度、易凝易堵等流量計量困難的工況中還具有良好的應(yīng)用前景。