電容式靶式流量計(jì)的研究與仿真
靶式流量計(jì)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(jì)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(jì)和電容式靶式流量計(jì)。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(jì)量誤差。然而，電容式靶式流量計(jì)的核心元件是一片固定不動的定電極和一個(gè)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(shí)，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(jì)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(jì)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。
本文介紹的新型電容式靶式流量計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的工作原理
電容式靶式流量計(jì)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(gè)放在管道中心的圓形靶，流體流動時(shí)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(shí)，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(gè)電容差值。若靶受到流體沖擊時(shí)，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(jì)的基本測量原理。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
流量計(jì)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(jì)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(shí)的瞬時(shí)流量、累積流量、溫度和壓力。同時(shí)可以通過按鍵對各類參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。此外，儀表還具有電池欠壓檢測、保護(hù)及過量程報(bào)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(shí)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(jì)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(jì)工業(yè)應(yīng)用中的多種需求。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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?，以及各種參數(shù)的輸入與顯示，從而保證流量計(jì)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(jì)算能力，程序的計(jì)算精度與匯編程序相比有了很大提高。同時(shí)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(bào)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(jì)、安裝，將流量計(jì)的滿量程設(shè)計(jì)為100m3/h，并選用流量計(jì)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(jì)在量程比為15∶1時(shí)，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(jì)都有很大提高，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
5 結(jié)語
本文介紹的新型電容式靶式流量計(jì)，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(jì)中了采用修正、補(bǔ)償?shù)?nbsp;多種數(shù)字處理方式，使流量計(jì)較現(xiàn)有常用的各類型靶式流量計(jì)在測量精度上有很大的提高。該流量計(jì)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(jì)量問題外，它在小流量、高粘度、易凝易堵等流量計(jì)量困難的工況中還具有良好的應(yīng)用前景。