金屬管浮子流量計/金屬管轉子流量計

      傳統的機械式金屬管浮子流量計，由于其局限性，無法進行流量的計量。即便是改進型的機械式金屬管浮子流量計，用凸輪板和轉角變送器進行修正，雖能提高精度，但凸輪板的加工需要考慮不同測量介質及工況條件，且機加工的復雜度很高，流量計量的精度仍受到加工精度的限制。因此，設計了一種可以通過微處理器靈活配置參數、適應不同測量介質和工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計，其結構如圖1所示。通過自行設計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉換為反映角度變化的電信號，利用程序預設的數字模型進行流量計算，克服了凸輪式機械結構進行流量計算固有的弊端。
 1 引言
   
傳統的金屬管浮子流量計屬于機械式，通過電磁感應耦合和機械連桿機構帶動指針顯示或遠傳。該方式存在機械磨損、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。通過浮子內嵌的*磁體，利用霍爾元件檢測磁場變化，確定浮子位置。
    2 結構原理
   
金屬管浮子流量計結構原理圖如圖1所示。其中，傳感器由一個錐形管、一個置于錐形管內可以上下自由移動的浮子（內嵌磁鋼）組成，虛線部分為信號處理單元。
    根據流量方程式的推導，可得體積流量公式
        （1）
    其中，Qv— 體積流量；a— 流量系數；DD—標尺零點處錐形管直徑；h— 浮子位置；φ—
    本文設計的金屬管浮子流量計采用磁阻傳感器進行角位移檢測，使流量計的轉換器不需要任何可動的機械零件，消除了機械零件之間摩擦力和傳動誤差，實現了流量計轉換器的全電子化和小型化；同時，采用MSP430單片機進行線性修正和運算，從而使流量計的準確度、回差和重復性等主要指標得到了明顯提高。可通過按鍵，HART375手操器或者組態軟件進行多點修正、小流量切除值設置、報警設置、量程范圍設置、瞬時流量和累積流量小數點設置等功能。本文設計的金屬管浮子流量計具有小型化、數字化、智能化和低功耗等特點，已成功投產。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，實現流量測量的精度決定于浮子高度的準確測量。

   
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的函數關系，即
    U=f（h）     （2）
   
管壁外的雙霍爾敏感元件將磁場的變化轉換成電壓的變化，經A/D轉換送至單片機。單片機經過數據處理得到的流量測量，并可現場顯示或遠傳。
    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，浮子運動方向如圖2所示，行程為60mm，當變送器工作時，浮子根據流量的變化而上下運動，使切割兩個霍爾元件的敏感區磁力線產生變化，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— 磁感應強度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及磁場強度Bcosθ成正比；
    ②由于θ角是浮子位置h的函數，所以Bcosθ=g（h）；
    ③由于電子遷移率μ和載流子濃度n隨溫度變化導致電阻率  、霍爾系數 或靈敏度系數
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，即
    UH=F（T，h）     （4）
    顯然，實現浮子位置的準確檢測，關鍵是建立（4）式的函數關系。
    本文設計的金屬管浮子流量計采用磁阻傳感器進行角位移檢測，使流量計的轉換器不需要任何可動的機械零件，消除了機械零件之間摩擦力和傳動誤差，實現了流量計轉換器的全電子化和小型化；同時，采用MSP430單片機進行線性修正和運算，從而使流量計的準確度、回差和重復性等主要指標得到了明顯提高。可通過按鍵，HART375手操器或者組態軟件進行多點修正、小流量切除值設置、報警設置、量程范圍設置、瞬時流量和累積流量小數點設置等功能。本文設計的金屬管浮子流量計具有小型化、數字化、智能化和低功耗等特點，已成功投產。