靶式流量计

一种新型的基于电涡流传感器的靶式流量计

一种新型的基于电涡流传感器的靶式流量计,流量计量是计量中的一个重要组成部分。目前已开发和使用的流量仪表大致可分为差压式、容积式、浮子式、叶轮式、电磁式等10大类100多个品种,基本能解决工业生产中流量测量的一般问题。但是,一些特殊领域的流量测量问题仍难以解决,如脏污、高黏度和具有腐蚀性的流体等,用一般的孔板流量计测量已经难以达到精度要求,而电磁流量计却不能对非导电液体和气体进行测量[1]。由于这些介质会使流量计的腐蚀、磨损、堵塞时有发生,所以流量仪表的测量准确度、运行费用、安装维护费用、压力损失等都尚存在一定问题。

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    靶式流量计是20世纪60年代出现的,其传感器不与流体介质直接接触,因此对检测介质的种类要求不高,尤其适用于高黏度、低雷诺数的流体及含有微小颗粒的流体的测量,在一定程度上解决了“困难流体”的检测问题。靶式流量计以其结构简单、无可动部件,且维护方便、不易堵塞的优点而得到广泛的应用[2],可适用于石油、化工、能源、食品、环保和水利等领域的测量[3]

    不管是传统气动和电动靶式流量计还是目前市场上存在的应变片电桥和电容力传感器靶式流量计,都是以测量流体对靶的作用力为直接研究对象,主要选用了力传感器。其中,气动和电动靶式流量计的机械结构复杂、灵敏度低、量程范围窄,早已不符合高精度测量的要求[4];而应变片式的设计中,应变片直接贴在弹性体上,容易受介质温度变化影响产生温漂,抗过载能力较差[5]。鉴于流体本身在流动过程中对靶的冲击力,会使得靶和传感器之间的距离产生了变化。本次设计,就以测量靶杆与传感器的微小位移变化为基点,选择位移传感器来进行测量。

    本文主要介绍一种新型的基于电涡流传感器的靶式流量计,电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器,可对进入其测量范围内的金属物体运动参数进行精密的非接触测量。电涡流传感器正是因为其特殊的测试原理,因而对油污、尘埃、湿度、干扰磁场等不敏感,特别适用于在油、汽、水恶劣环境下长期工作。在用该新型靶式流量计对气体流量进行检测时,无论是线性度、稳定性、低流量特性、范围度等各方面都表现出较好的特性,并进一步拓展了靶式流量计的研究。

    1 电涡流靶式流量计原理和结构

    靶式流量计是通过一块靶板将流体所携带的动压能转化为对靶的作用力,再经过检测靶板所受作用力的大小,从而计算得到相应的流速及流量。流体流动时对中心靶的作用力主要是流体对靶的冲击力和因流速在靶后分离产生的差压而形成的作用力。经计算分析可知,流体对靶的作用力F与流速u的平方成正比,其关系如式(1)。

    式(1)中:F—流体对靶的作用力;ζ—阻力系数(当雷诺数达到一定值时,ζ趋于常数);A—靶的迎流面积;u—靶和管壁间环形截面处流体的平均流速;ρ—流体密度。

    我们令α=1ζ,作用力F与体积流量的关系见式(2):

    式(2)中:D—管道内径;α—流量系数;β—靶径比,β=d/Dd为靶径);K—常系数。取D=50mm,β=08时,当Re>2030,流量系数α是一个常数。于是Qv就和F的开方呈线性关系[6]

    电涡流传感器机结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大,而且具有非接触测量的优点,适用于作为流量检测仪器仪表的传感器。

    电涡流靶式流量计主要由测量管(外壳)、阻流元件(靶)、电涡流传感器、温度传感器、压力传感器、信号处理电路、液晶显示等组成。其结构如图1。

    电涡流传感器固定在管道内沿,靶式流量计在工作时,流体只能沿标定的正方向流动。当流体从正方向冲击靶时,靶会带动靶杆有微型的移动,因此和探头产生位移差。

    电涡流传感器是利用感应电涡流原理实现位移检测的,如图2,它是电感式传感器的一种[7]

    传感器由LC高频振荡器和放大处理电路组成。利用金属靶杆在接近这个能产生电磁场的振荡感应探头时,使靶杆内部产生涡流。这个涡流反作用于传感器探头,使探头振荡能力衰减,内部电路的参数发生变化[8],可识别出靶杆与探头端面的相对位置。

    我们知道:当无流量时,金属靶杆自由放置,与探头的距离小,涡流效应强,传感器线圈电感小,谐振时回路的等效阻抗小,输出电压小;当靶受力时,靶杆渐渐远离探头,传感器电感增大,谐振时回路的等效阻抗变大,输出电压也随着变大。这样,可根据金属靶杆与传感器之间的位移变化,来判断靶受力的大小。

    靶杆选用的材料是45号钢,它是优质碳素结构用钢,具有较高的强度和韧性,在多次试验中不易变形,且探头对它的检测灵敏度较高。试验中,将靶杆固定在测量平台的一端,电涡流传感器置于平台的可水平移动部件上,并配以千分尺来读取位移值,就可得到传感器和靶杆之间位移和输出电压的关系曲线。测量时,在05mm的位移区间内,每增加05mm的位移量测一次电压值。在这里选取三组实验数据绘制成位移-电压关系图,见图3

    可以看到,电涡流传感器的非接触测量,重复性非常好,尤其在0。5mm3mm的位移时线性良好。可选取这段距离作为靶式流量计的工作距离。电涡流传感器可长期可靠工作,灵敏度高,响应速度快。在无损检测和大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测中被广泛应用。

    2 系统设计

    控制核心单元选用的是美国TI公司生产的单片机MSP430F435,图4为整个系统的结构框图。系统控制器为一片MSP430F435单片机。外部模块包括流量检测、压力检测、温度检测、电源模块、键盘模块、液晶显示模块、标准电流输出、时钟芯片等。

    流量信号由电涡流式传感器检测,通过信号处理电路输出电压信号。将此电压信号送入单片机的A/D处理,计算得到相应的瞬时流量和累积总量。再由单片机与AD420芯片进行通信终将瞬时流量转化为420mA标准电流输出,实现流量信号的远传。

    温度传感器采用Pt100铂电阻温度计,铂电阻在很宽的范围内有相当好的稳定性,因此有极好的复现性能,是作为精密温度计的主要传感器[9]。压力传感器采用MPX10型微型压力传感器。温度和压力传感器采集得到的信号分别经仪表放大器放大后送给单片机对流量进行补偿。

    MSP430单片机对传感器采集的流量、温度、压力信号,进行滤波、线性修正、密度补偿等数字处理,并将后的瞬时流量、累积流量、温度和压力显示在液晶屏上。

    3 软件设计

    整体系统的软件程序采用C语言编写,软件算法的设计以测量的精却性为主要目标,其主要程序流程图如图5

    系统的软件部分主要包括信号采集、瞬时流量计算模块、流量累积模块、串行同步/异步模块、显示和按键处理模块。

    瞬时流量计算模块主要就是将A/D转换后的流量信号,经过压力和温度的实时补偿,根据相应的计算公式计算出精确的瞬时流量值。

    流量累积模块是整个系统的核心,关系到整个仪表的精度。软件设计思路采用1s一次的定时中断对瞬时流量进行累积,实现流量的累积。

    为了能够实现流量信号的远传需要将流量信号转换为4~20mA的标准电流信号,也就是标准电流输出单元。本单元的核心部分是采用AD420芯片来实现的,单片机通过串行同步/异步模块(USART),然后再经过AD420转换为标准的420mA电流信号进行远距离传输[10]

    按键处理模块主要是使LCD液晶具有瞬时流量和累积流量的切换显示功能。

    4 试验数据

    试验在音速喷嘴检测装置上进行。音速喷嘴作为标准流量计法气体流量标准装置,它的精度高、复现性好、性能稳定,因而被广泛地应用于各种气体流量计的检测和校准[11],其检测精度为02%。对靶式流量计进行了多次检测,这里取3组实验结果数据进行分析,试验时环境温度为2496℃,大气压为10057kPa,管道直径DN50。实验结果见表1,并将表1的数据画成曲线图如图6

    从表1和图6可以看出,电压与流量之间具有较好的线性对应关系,这样我们就可以根据输出的电压来检测流场中的流量。并且在相同的实验条件下,当气体流量相同时,三组实验的输出电压值也基本相同,即三组实验的输出电压重复性较好。这就表明运用电涡流传感器测量气体流量是可行的。

    流量计对应的响应方程通常描述成Q=f(U),Q为流量,U为对应变化的电压。

    这里对实验中的第以组数据进行直线拟合,并确定其拟合公式,建立流量传感器的数学模型。如式(3):

    Q=50。038U-362173

    单片机就可以根据电压计算出流量值,再通过温度和压力的补偿得到瞬时流量。

    该靶式流量计所测量的流量与标准流量装置之间的误差,如表2。

    从表2可以看到,该靶式流量计引用误差均在1%以下,完全符合一般工业管道流量的测量。相信在不断的试验研究和改进后,精度和量程比还可以进一步提高。电涡流靶式流量计具有非常高的推广和使用价值。

    5 结语

    靶式流量计的传感器不与被测介质直接接触,不存在零部件磨损和腐蚀,使用安荃可靠。本次设计的靶式流量计,采用了全新的电涡流传感器进行流量信号的检测。结合MSP430单片机,具有温度和压力的一体化补偿,抗干扰、抗杂质能力强,智能化程度高。它既有现场指示流量值,又可发送标准电流信号,实现远程控制。其对气体的流量测量具有优于1%的测量精度,并有进一步改良的空间,因此是一款具有发展前景的流量计。

点击次数:  更新时间:2017-05-29 11:34:19  【打印此页】  【关闭