新型電容式靶式流量計的設計

靶式流量計是20世紀60年代為滿足石油流量計量的高要求而發展起來的一種流量計。它主要用于測量高粘度、低雷諾數、含固體顆粒的漿液以及腐蝕性介質的流量，此外也可以測量一般的液體、氣體和蒸汽的流量。具有結構簡單、安裝簡便、極易維護、不易堵塞等特點[1]，而且不受流體的物理性質影響[2]，被廣泛應用于工業生產、石油化工、環境保護、現代農業、水利建設等領域。

靶式流量計的關鍵技術是力的轉換方式[3]，即傳感器的結構如何將靶所受到的沖擊力轉換為與之有確定對應關系的、更便于應用的物理量。傳統的靶式流量計主要有電動式和氣動式兩種[4]，其缺點十分明顯：機械結構較復雜、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，應用較為廣泛的主要有應變式靶式流量計和電容式靶式流量計。應變式的結構相對簡單，儀表的靈敏度和量程比都有所提高，但是對應變片的粘貼加工要求很高，而且應變片直接貼在彈性體上，容易受介質溫度變化影響而產生溫漂，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，當靶桿受力時，動電極隨彈性管產生微小偏移，電容極間距改變，相應的電容值也隨之變化，從而間接實現了靶桿所受力和電容值的轉換。電容式靶式流量計在準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重的非線性關系，從而造成了較大的測量誤差。但是，電容結構擁有溫度穩定性好、靈敏度高、分辨力強等優越特性，因此電容式將會是靶式流量計今后發展的一個重要方向。

本文介紹的新型電容式靶式流量計采用差動電容結構，其機械結構十分簡單，儀表的靈敏度和量程比都有所提高。該流量計不但發揮了電容式傳感器特有的精度高、溫度穩定性好、抗干擾能力強等技術優勢，而且較普通的電容式靶式流量計靈敏度更高，分辨力更強，可以實現高精度、高穩定性的流量測量，其發展潛力巨大。

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生裝置和力轉換單元兩部分組成。圖1為傳感器的結構圖。

圖1 傳感器結構圖     

傳感器的力產生裝置即測量元件，是一個放在管道中心的圓形靶，流體流動時沖擊到靶上，使靶面受力并產生相應的微小位移。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；ρ—流體密度；u—靶和管壁間環流面的平均流速；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系： 

當雷諾數Re大于2030時，流量系數kα趨向于一常數，因此體積流量QV與靶所受作用力F的開方呈線性關系。

傳感器的力轉換裝置為一差動電容結構，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生位移，而兩片靜電極位置固定不動。因此，當靶桿發生微小偏移之后，兩組電容的電容極間距都發生了變化：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存在以下關系：

式（3）中：C1、C2—兩組電容的電容值；ε—介電常數；S—極板相對面積。

由式（3）可以得出以下關系：

即體積流量QV與差動電容值C的開方亦存在線性關系。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 二次儀表系統框圖

在二次儀表的設計中，選用超低功耗的MSP430f147單片機作為核心控制芯片。MSP430系列單片機是美國德州儀器推出的性能優良的16位單片機，具有功耗低、運算速度快以及功能模塊豐富等特點。MSP430f147單片機將采樣的流量、溫度、壓力信號，進行濾波、線性修正、密度補償等數字處理，并在液晶上顯示實時的瞬時流量、累積流量、溫度和壓力。同時可以通過按鍵對各類參數進行實時修改。此外，儀表還具有電池欠壓檢測、保護及過量程報警等功能。

傳感器上選用了高精度的電容數字轉換芯片AD7745，可直接對傳感器差動電容值進行測量，并通過I2C串行接口將轉換到的數字信號（0-65535）輸出給單片機進行處理。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行溫壓補償[7]。由于單片機MSP430f147的ADC模塊支持快速的12位A/D轉換，采樣速度快，能滿足大多數的數據采集應用場合[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的ADC模塊進行A/D轉換后采用數字濾波方式來減小隨機誤差，以提高溫度和壓力測量的準確性。單片機再進行一系列數字處理來實現流量的密度補償[9]。溫度傳感器選用Pt1000熱電阻溫度傳感器[10]，精度可達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。通過密度補償能有效提高流量測量的精度。

儀表設計的通訊模塊可實現脈沖輸出、0～10V電壓輸出、4～20mA標準電流輸出[11]、以及RS485通訊等，可以有效滿足流量計工業應用中的多種需求。

3 軟件設計

系統的軟件設計主要為完成各硬件模塊的初始化，實現各種檢測、修正、補償等功能，以及各種參數的輸入與顯示，從而保證流量計測量的準確性和穩定性。系統主程序流程如圖3。

圖3　主程序流程圖

軟件具有以下特點：

1）程序采用了C語言編寫，充分利用了高級語言的數值計算能力，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，便于檢查、修改、擴充和閱讀。

2）流量測試中，軟件采用了多種修正算法，如：數字濾波，傳感器零點修正，傳感器的線性修正，二次儀表零點修正，流體密度的溫壓補償等等，從而使測試精度和量程范圍大大提高。

3）軟件中按鍵處理模塊可實現對各類參數在線修改，包括：傳感器零點與系數的修改，流量單位以及小數點位數的選擇，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 試驗數據

通過對流量傳感器各部件的設計、安裝，將流量計的滿量程設計為100m3/h，并選用流量計的液表模式在大型水流量試驗裝置中進行測試，試驗數據，見表1。

試驗數據表明：流量計在量程比為15∶1時，測量精度可達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靶式流量計都有很大提高，具有很高的應用價值。

5 結語

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構，結構簡單、工作可靠、靈敏度高。另外，儀表設計中了采用修正、補償等 多種數字處理方式，使流量計較現有常用的各類型靶式流量計在測量精度上有很大的提高。該流量計在試驗中體現了較好的測量準確度和測量穩定性，加之其特有的抗干擾、抗雜質性能，除能測量常規流量計量問題外，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用前景。