0 引言

      在工業(yè)生產(chǎn)和科研測量中，經(jīng)常遇到小流量、低雷諾數(shù)的流量測量。轉(zhuǎn)子流量計由于具有靈敏度高、測量范圍寬、壓力損失較小且恒定、測量介質(zhì)種類多、工作可靠、維護簡便、對儀表前直管段要求不高等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用。

      轉(zhuǎn)子流量計的浮子位移與流量之間存在明確對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，測出浮子位移即可確定流量大小。由于流量計的浮子位移不能直接讀出，所以，將磁鋼封入浮子內(nèi)，由設(shè)在轉(zhuǎn)換器內(nèi)的磁耦合機構(gòu)得到浮子位移，并由位移傳感器將與流量對應(yīng)的浮子位移轉(zhuǎn)換成電信號遠傳輸出。目前，常用的位移傳感器有兩種：差動變壓器式傳感器和電容式角位移傳感器；但是，使用兩種位移傳感器要獲得與流量對應(yīng)的位移信號，需要通過磁鋼耦合以及相應(yīng)的四連桿、凸輪等機械機構(gòu)進行非線性修正和傳動來實現(xiàn)，無法實現(xiàn)流量計的轉(zhuǎn)換器全電子化、小型化、智能化。為此，推出了采用霍爾傳感器檢測浮子位移的新型流量計。

      1 系統(tǒng)構(gòu)成原理

      該流量計采用線性霍爾傳感器檢測浮子位移，配合單片機應(yīng)用系統(tǒng)，完全去掉了磁鋼耦合、非線性修正及傳動等機械機構(gòu)，其工作原理如圖1所示。

      當(dāng)被測流體自下而上流過錐管時，浮子產(chǎn)生位移，通過線性霍爾傳感器的磁力線角度就會發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器輸出相應(yīng)電壓，該輸出電壓輸入到單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行處理后，可驅(qū)動顯示器顯示流量并輸出與流量對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，也可通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口進行數(shù)據(jù)遠程交換。

      2 霍爾傳感器檢測浮子位移的基本原理

      因為封入浮子中的磁鋼的磁感應(yīng)強度隨著被測介質(zhì)溫度的變化而變化，長期使用后，還會產(chǎn)生退磁。因此，采用霍爾傳感器^[1]檢測浮子位移時，必須消除磁鋼磁感應(yīng)強度變化的影響。另外，霍爾傳感器的霍爾靈敏度系數(shù)也會隨著溫度的變化而變化，采用霍爾傳感器檢測浮子位移時，必須同時消除霍爾靈敏度系數(shù)變化的影響。為此，在流量計的轉(zhuǎn)換器中對應(yīng)浮子位移范圍中間位置處放置2個特性一致的霍爾傳感器，2個霍爾傳感器的磁敏感面互成90°?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲭妷河上率酱_定

       E₁＝K₁I₁B₁sinθ，

       E₂＝K₂I₂B₂sin（90°－θ），

式中K₁，K₂為霍爾靈敏度系數(shù)，V/（A?T）；I₁，I₂為霍爾元件的激勵電流，A；B₁，B₂為霍爾傳感器所處位置的磁感應(yīng)強度，T；θ為磁力線相對于霍爾傳感器的磁敏感面的傾斜角。因為2個霍爾傳感器選用特性一致的同一型號霍爾傳感器，采用同一激勵電流，處于同一高度位置，所以，有K₁＝K₂，I₁＝I₂，B₁＝B₂?？傻?/P>

      E₁/E₂＝sinθ/sin（90^o－θ）＝sinθ/cosθ＝tgθ，

      θ＝arctg（E₁/E₂）。

      可見，由E₁，E₂可求出磁力線的傾斜角度，求出傾斜角θ就可以得到浮子的位移。

      3 單片機應(yīng)用系統(tǒng)

      單片機應(yīng)用系統(tǒng)^[2]的原理框圖如圖2所示。線性霍爾傳感器將浮子位移轉(zhuǎn)換成電壓信號，由放大器放大后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由16位MCU進行運算處理和非線性修正后求得流量值，一方面送LCD顯示器顯示；另一方面送入DAC轉(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)輸出轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。另外，還可通過串行通信接口RS-485與各種處理設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。

      4 測試結(jié)果

      在常溫下以水作為標(biāo)定介質(zhì)，采用容積法對流量計樣品進行了測試，結(jié)果如表1。

表1 流量計測試結(jié)果

      流量計每個流量點的示值誤差為

      γ_i＝[（Q_i－Q_si）/Q_max]×100%，

      式中γ_i為流量計第i個校驗點的基本誤差；Q_i為流量計第i個校驗點的示值流量，L/h；Q_si為流量計第i個校驗點在同行程n次校驗中實測流量的算術(shù)平均值，L/h；Q_max為流量計測量范圍的上限值，L/h。所有流量點中示值誤差的最大值即為該流量計的示值誤差，計算結(jié)果為0.97%。

      流量計每個流量點的回差為

      △_i＝[（Q_fi－Q_ri）/Q_max]×100%，

      式中△_i為流量計第i個校驗點的回差；Q_fi為流量計第i個校驗點在正行程n次校驗中實測流量的算術(shù)平均值，L/h;Q_ri為流量計第i個校驗點在反行程n次校驗中實測流量的算術(shù)平均值，L/h。所有流量點中回差的最大值即為該流量計的回差，計算結(jié)果為0.92%。

      流量計每個流量點的重復(fù)性為      

      式中σ_i為流量計第i個校驗點的重復(fù)性均方根誤差；Q_ij為流量計第i個校驗點同行程第j次校驗的實測流量，L/h；n為每個校驗點正、反行程的校驗次數(shù)。所有流量點中重復(fù)性均方根誤差的最大值，即為該流量計的重復(fù)性，計算結(jié)果為0.33%。

      采用磁鋼耦合的流量計的示值誤差、回差和重復(fù)性分別為2.0%，2.0%和0.75%。

      5 結(jié)束語

      由于采用霍爾傳感器進行位移檢測，使流量計的轉(zhuǎn)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(xiàn)了流量計轉(zhuǎn)換器的全電子化和小型化；同時，采用16讓單片機進行線性修正和運算，從而使流量計的準(zhǔn)確度、回差和重復(fù)性等主要指標(biāo)得到了明顯提高。

      由以上分析可見，霍爾傳感器在流量計中的應(yīng)用，使流量計實現(xiàn)了電子化、小型化、數(shù)字化和智能化，提高了流量計的性能，增加了流量計的功能，并使得開發(fā)現(xiàn)場總線型的流量計成為可能。

      參考文獻：

      [1] 馬西秦，許振忠. 自動檢測技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.115－124.
      [2] 王福瑞. 單片機測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.100－270．