新型電容式靶式流量計的設(shè)計

靶式流量計是20世紀(jì)60年代為滿足石油流量計量的高要求而發(fā)展起來的一種流量計。它主要用于測量高粘度、低雷諾數(shù)、含固體顆粒的漿液以及腐蝕性介質(zhì)的流量，此外也可以測量一般的液體、氣體和蒸汽的流量。具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝簡便、極易維護(hù)、不易堵塞等特點(diǎn)[1]，而且不受流體的物理性質(zhì)影響[2]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、石油化工、環(huán)境保護(hù)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、水利建設(shè)等領(lǐng)域。

靶式流量計的關(guān)鍵技術(shù)是力的轉(zhuǎn)換方式[3]，即傳感器的結(jié)構(gòu)如何將靶所受到的沖擊力轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、更便于應(yīng)用的物理量。傳統(tǒng)的靶式流量計主要有電動式和氣動式兩種[4]，其缺點(diǎn)十分明顯：機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、靈敏度低、量程范圍窄，早已不符合高精度測量的要求[5]。近年來，應(yīng)用較為廣泛的主要有應(yīng)變式靶式流量計和電容式靶式流量計。應(yīng)變式的結(jié)構(gòu)相對簡單，儀表的靈敏度和量程比都有所提高，但是對應(yīng)變片的粘貼加工要求很高，而且應(yīng)變片直接貼在彈性體上，容易受介質(zhì)溫度變化影響而產(chǎn)生溫漂，造成較大計量誤差。然而，電容式靶式流量計的核心元件是一片固定不動的定電極和一個隨靶桿上的彈性管擺動的動電極組成的電容傳感器，當(dāng)靶桿受力時，動電極隨彈性管產(chǎn)生微小偏移，電容極間距改變，相應(yīng)的電容值也隨之變化，從而間接實(shí)現(xiàn)了靶桿所受力和電容值的轉(zhuǎn)換。電容式靶式流量計在準(zhǔn)確度和抗干擾能力上都有所提高，但也存在不少問題，譬如：在大量程下，檢測輸出與被檢測的力之間具有較為嚴(yán)重的非線性關(guān)系，從而造成了較大的測量誤差。但是，電容結(jié)構(gòu)擁有溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高、分辨力強(qiáng)等優(yōu)越特性，因此電容式將會是靶式流量計今后發(fā)展的一個重要方向。

本文介紹的新型電容式靶式流量計采用差動電容結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)十分簡單，儀表的靈敏度和量程比都有所提高。該流量計不但發(fā)揮了電容式傳感器特有的精度高、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢，而且較普通的電容式靶式流量計靈敏度更高，分辨力更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的流量測量，其發(fā)展?jié)摿薮蟆?

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：

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： 

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：

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：

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埽约案鞣N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，充分利用了高級語言的數(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)?nbsp;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，加之其特有的抗干擾、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。