新型智能转子流量计的实验研究

    目前,在国内金属管转子流量计的引进产品和国产产品中,大多采用凸轮机械结构进行流量计算,由此而引出以下两方面不足。首先,凸轮机械结构不能进行流量的精确计算;其次,必须根据被测介质的密度、工况条件及流量范围进行逐台设计制造,给生产厂商和使用部门带来不便。

    本文介绍了笔者研制的金属管转子流量计,给出较好鲁棒性的高精度角位移转换器,同时引入单片机技术,对信号进行智能化处理,从而较好地解决了上述两方面问题。

    1　整机结构及原理

    角位移转子流量计测量原理图如图1所示。它由传感器1)、转换器2)、智能信号处理器3)三部分组成。

    其中,传感器为锥管及其中内欠磁钢的转子组成,转换器为一端嵌有磁钢的机械连杆机构及角位移转换器组成,智能信号处理器由信号处理电路、单片机及外围电路组成。如图1所示,当转子处于垂直的锥形管道中时,随着流体速度的增大而上下移动。当转子的重力等于流速向上的作用力时,达到平衡状态,转子处于某一稳定的位置;当流体速度变化时,转子向下与向上的作用力达到一个新的平衡状态,转子又处于一个新的稳定位置。转子流量计流量公式为^[1]:

其中　q_V—体积流量;

      α—流量系数;

      D₀—标尺零点处锥形管直径;

      h—转子位置;

      φ—锥形管锥半角;

      g—重力加速度;

      Vf—转子体积;

      ρf—转子材料密度;

      ρ—流体密度;

      Sf—转子垂直于流向的最大截面积。

    从式(1)可见,流量测量的精度决定于对转子高度的准确测量。由于转子内嵌磁钢,当转子上下移动时,内磁钢同时上下移动,与嵌于机械连杆一端的外磁钢形成内外磁钢磁路耦合,外磁钢随之移动,内磁钢运动h将引起机械连杆转动一定角度θ,本文利用角位移转换器将角度的变化转换为电容量值C的变化,再经信号处理电路将电容值的变化转化为电压信号V_out,最终使得检测电路的输出信号幅值反映流体瞬时流量的大小,有

    Vout=φ1(C)=φ2(θ)=φ3(h)=φ4(q)             (2)

    保证φ1,φ2,φ3,φ4均为单调函数,则有

　　q=F(V_out)                (3)