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      時間:2022-7-28 08:40:11

    高精度智能浮子流量計的研制

    簡介:一種利用磁阻傳感器對浮子高度進行檢測的新方法,在此基礎上設計了以STM32為核心微處理器的高精度智能金屬管浮子流量計。鑒于磁場分布的復雜性,很難通過理論的方法得到傳感器輸出信號與浮子高度(或流量)之間的對應關系,以實驗數據為基礎,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系表達式。通過對比實驗表明,擬合曲線法測量精度優于分段線性修正法。此外為減小溫度漂移對磁阻傳感器輸出信號的影響,系統在流量修正前增加了溫度補償環節,提高了系統的測量精度。
      浮子流量計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現測量的體積流量儀表,又稱轉子流量。浮子流量計按材質還可以分為玻璃管浮子流量計、塑料管浮子流量計和金屬管浮子流量計。傳統的金屬管浮子流量計大都屬于純機械式,通過電磁感應耦合和機械連桿機構,帶動指針顯示或者遠傳機構向遠端輸出。這種結構雖然在--定程度上提高了測量精度,但是也對機械加工的精度提出了更高的要求,且會因為機械磨損導致測量精度下降回。因此本文設計了一種非接觸式測量的智能金屬管流量計,通過磁阻傳感器將浮子高度的變換轉換為電信號傳送至微處理器,利用程序預設的數學模型實現溫度補償和流量修正,,提高了測量精度并延長了儀表的使用壽命。
    1浮子流量計基本結構
      本文設計的非接觸式金屬管浮子流量計的結構如圖1所示。被測流體從錐形管自下而上流動時,浮子受到上升的升力,當浮子受到的.上升力與其所受的浮力之和大于浮子的重力時,浮子就會上升,當浮子上升到一定高度時,浮子所受的力達到平衡,浮子最終將穩定在某-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)有對應關系。因此只需測得當前浮子的高度即可得到流量值。
    浮子流量計結構圖示 
      浮子在錐形管中的高度與流體通過錐形管的流速(流量)有對應關系,但由于磁場分布的復雜性,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應關系,因此本文基于實驗數據分別采用擬合曲線法和分段線性修正法近似得出該對應關系。
      擬合曲線法是通過實驗測得的數據,得到傳感器的輸出值與當前流速的關系表達式,因此只需獲得傳感器的輸出值,就可以算出當前的流速。分段線性修正法是將整個量程劃分為若干個段,每段采用不同的修正函數進行流量修正。本文以管道直徑為80mm.流體類型為液體的條件下進行試驗(如無特別說明,后續的實驗條件均為此),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償環節。
    2測量方法
      整個測量過程包括信號獲取,溫度補償、流量修正、LCD液晶顯示等環節。
      信號采集包括溫度傳感器輸出信號獲取和磁阻傳感器信號獲取,溫度傳感器的輸出信號通過SPI方式傳送給微處理器,用于對磁阻傳感器的輸出做溫度補償,磁阻傳感器的輸出信號將用于流量計算,經過信號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傳感器輸出的影響"。差分模塊完成對傳感器輸出信號的放大處理,電壓跟隨模塊減小了傳感器的輸出阻抗。從圖2可知,經放大處理后,傳感器的輸出信號幅值為:
     
     
      圖3是傳感器輸出信號與溫度的關系曲線,可見在一定范圍內,傳感器輸出信號幅值與溫度成反比關系,可以得到:
     
      在上一節已經介紹過,非接觸式浮子流量計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是實驗測得的傳感器輸出V2與當前流量(流速)的對應關系。
     
      將傳感器的輸出V2代入式(6).(7).(8)即可得到當前流量,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時采用擬合曲線法設計的浮子流量計的測量數據與標準表所測數據的對比結果,并算出示值誤差。示值誤差的計算公式為:
     
      其中Qmax為儀表最大測量流量,Qvs為被檢流量計測得的流量,Qn為標準流量裝置在該點該測得的標準體積流量。
     
      從表2~表4可知,以階數n=1得到的擬合曲線計算流體流量,示值誤差最大在2%以.上,擬合效果不理想,而以階數n=3得到的擬合曲線計算流體流量時,示值誤差在1%以內,滿足測量要求,但由于擬合方程相對復雜,加大了算法的復雜度,使流量計算占用CPU時間變長,降低了系統測量的實時性。所以本設計選擇n=2時擬合得到的方程來計算流量,不僅滿足了系統的實時性要求,而且系統的測量精度也在1%以內。
      分段修正法將整個測量范圍分為6~12個段,每段之間采用不同的線性方程進行修正。表5是采用分段線性法設計的浮子流量計所測流量與標準表所測流量的數據。
     
      對比擬合曲線法(n=2)和分段線性修正法的測量結果可以看出,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的測量精度。
    3結束語
      本文設計了一款高性能的智能型浮子流量計,為保證測量精度和系統的穩定性,在流量計算前增加了溫度補償環節,減少了溫度對傳感器輸出的影響。分別采用了擬合曲線法和分段線性修正法進行流量修正,實驗結果表明,擬合曲線法的測量精度明顯優于分段線性法。

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