簡介：一種(zhǒng)利用磁阻(zu)傳感器對(duì)浮子高度(du)進行檢測(cè)的新方❌法(fa)，在此基礎(chu)上設計了(le)以STM32爲核心(xin)微處理器(qi)的智能金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量計 。鑒(jian)于磁場分(fèn)布的複雜(zá)性,很難通(tong)過理論的(de)方法得到(dào)傳感器輸(shū)出信号與(yǔ)浮子高度(dù)(或流量)之(zhi)間的對應(ying)關系，以實(shí)驗數據爲(wei)基礎，分别(bié)采用拟合(hé)曲線法💜和(he)分段線性(xing)修正法得(dé)到傳感🌈器(qi)輸出與流(liú)量之間的(de)關系表達(da)式。通過對(dui)比實驗表(biǎo)明,拟合曲(qǔ)線法測量(liang)精度優于(yu)分段線性(xing)修正法。此(ci)外爲減小(xiǎo)溫度漂移(yí)對磁阻傳(chuan)感👅器輸出(chu)信号的💛影(ying)響,系統在(zai)流量修☁️正(zhèng)前增加了(le)溫度補償(chang)環節,提高(gao)了系統的(de)測量精度(dù)。
　　浮子流量(liàng)計 是以浮(fu)子在錐形(xíng)管中随流(liú)量變化而(er)升降，改變(bian)它🈲們之間(jian)⁉️的流通面(mian)積實現測(ce)量的體積(jī)流量儀表(biao)，又稱 轉子(zǐ)流量計 。浮(fú)子流量計(jì)按材質還(hái)可以分爲(wei)玻璃管浮(fú)子流量計(ji)、塑💘料管浮(fú)子流量計(ji)和 金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計 。傳統的(de)金屬管浮(fu)子流量計(jì)大都屬于(yú)純機械式(shi),通過電磁(ci)☎️感應耦合(he)和機械連(lian)杆機構,帶(dai)動指針顯(xiǎn)示或者遠(yuan)傳機構向(xiàng)遠端輸出(chu)。這種結構(gòu)雖然在--定(dìng)程🥵度上提(tí)高了測⭕量(liang)精度,但是(shì)也對機械(xiè)加工的精(jing)度提出了(le)更高的要(yào)求💔,且會因(yin)爲⭐機械磨(mó)損導緻測(cè)量精度下(xia)降回。因此(ci)本文設計(ji)了一種非(fei)🈲接觸式測(ce)量的 智能(neng)金屬管流(liu)量計 ，通過(guo)磁阻傳感(gan)器将浮子(zi)高度的變(bian)換轉換爲(wei)電信号🙇🏻傳(chuan)送至微處(chù)理器,利用(yòng)程序預設(shè)的數學模(mo)型實現溫(wēn)度補償和(hé)流量修正(zheng)，,提高了測(cè)量精度并(bing)延長了儀(yi)表🤩的使用(yong)🈲壽命。
1浮子(zi)流量計基(ji)本結構
　　本(ben)文設計的(de) 非接觸式(shì)金屬管浮(fú)子流量計(ji) 的結構如(rú)圖1所示。被(bei)測流體從(cóng)錐形管自(zì)下而上流(liu)動時,浮☂️子(zǐ)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻受到上升(sheng)的升力,當(dāng)浮子受到(dào)的.上升力(lì)與其所受(shou)的浮力之(zhī)和大于浮(fu)子的重力(li)時,浮子就(jiu)會上升,當(dāng)浮子上升(shēng)到💰一定高(gao)度時,浮子(zi)所受的力(lì)🔆達到平衡(heng),浮子最終(zhong)将穩定在(zài)某-特定高(gāo)度。浮子在(zài)⛹🏻‍♀️錐形管中(zhōng)的💁高度與(yǔ)流體通過(guò)錐形管的(de)流速(流量(liàng))有對應關(guan)系。因此隻(zhī)需測得當(dang)前浮子的(de)高度即可(ke)得到流量(liang)🐇值。
 
　　浮子(zi)在錐形管(guan)中的高度(du)與流體通(tōng)過錐形管(guan)的流速(流(liú)量)有🌈對🎯應(yīng)關系,但由(you)于磁場分(fen)布的複雜(zá)性,很🌈難通(tōng)過理論的(de)方法得到(dào)浮子高度(dù)與磁阻傳(chuan)感器輸出(chū)值的對應(ying)關系，因此(ci)本文基于(yú)實驗數據(ju)分别采用(yòng)拟合🌏曲線(xiàn)法和分段(duàn)線性修正(zhèng)法近似得(de)出該對應(yīng)關系。
　　拟合(hé)曲線法是(shì)通過實驗(yan)測得的數(shù)據，得到傳(chuan)感器的輸(shū)出值與當(dang)前流速的(de)關系表達(dá)式,因此隻(zhi)需獲得傳(chuán)感器的輸(shu)出值,就可(kě)以算出當(dāng)前的流速(su)。分段線性(xing)修📱正法是(shì)将整個量(liang)程劃分爲(wei)若幹個段(duan),每段💋采用(yong)不同的修(xiu)正函數進(jin)行流量修(xiū)正。本文以(yǐ)管道直徑(jing)爲80mm.流體類(lei)型爲液體(ti)的條件下(xià)進行試驗(yàn)(如無📱特别(bié)說明，後🏃🏻續(xù)的實驗條(tiao)件均爲此(cǐ)),此條件下(xià)的測量範(fan)圍爲2.5~25m3/h。由于(yu)磁阻傳感(gan)器(KMY20)的輸出(chu)受溫度影(yǐng)響較大㊙️，因(yīn)此需在流(liú)量修🧑🏾‍🤝‍🧑🏼正前(qian)增加溫度(dù)補償🏃環節(jie)。
2測量方法(fǎ)
　　整個測量(liang)過程包括(kuo)信号獲取(qu),溫度補償(cháng)、流量修正(zhèng)、LCD液晶顯示(shi)等🐉環節。
　　信(xin)号采集包(bao)括溫度傳(chuan)感器輸出(chū)信号獲取(qu)和磁阻傳(chuán)感器信号(hào)獲取,溫度(dù)傳感器的(de)輸出信号(hao)通過SPI方式(shì)傳送給微(wei)處理器,用(yong)于對磁阻(zu)傳感器的(de)輸出做溫(wen)度補償，磁(cí)阻傳感器(qi)的輸出信(xìn)号将用于(yú)流量計算(suan),經過信号(hao)放大處理(lǐ)後直接傳(chuán)送至微處(chù)理器。圖2爲(wei)磁阻傳感(gan)✨器輸出信(xin)号處理的(de)硬件電路(lu)圖。包括🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電(dian)源模塊差(cha)分放大模(mo)塊和電壓(ya)跟随模塊(kuài)。電源模塊(kuai)采用恒流(liu)源給KMY20磁阻(zu)傳感器供(gong)電,在--定程(cheng)度上減小(xiǎo)了溫漂對(duì)傳感器輸(shū)出的影響(xiang)"。差分🆚模🐇塊(kuài)完成對傳(chuán)感器輸出(chu)信号的放(fàng)大處理，電(diàn)壓跟随模(mo)塊減小🈲了(le)傳感器的(de)輸出🌈阻抗(kang)。從圖2可知(zhi),經放大處(chù)理後，傳感(gan)器的輸出(chū)‼️信号幅值(zhi)爲:
 
 
　　圖3是傳(chuan)感器輸出(chū)信号與溫(wēn)度的關系(xì)曲線，可見(jian)在一定範(fan)💚圍内,傳感(gǎn)器輸出信(xìn)号幅值與(yu)溫度成反(fǎn)比關系,可(ke)以💛得到:
 
　　在(zài)上一節已(yǐ)經介紹過(guo)，非接觸式(shì)浮子流量(liàng)計流量🐉測(cè)量方法📱有(you)拟合曲線(xian)法和分段(duan)線性修正(zheng)法，接下來(lai)将具體介(jiè)紹這兩🏃‍♀️種(zhong)方法。表1是(shi)實驗測得(dé)的傳感器(qì)輸出V2與當(dāng)前流量(流(liú)💞速)的對應(ying)關系。
 
　　将傳(chuan)感器的輸(shu)出V2代入式(shi)(6).(7).(8)即可得到(dao)當前流量(liang)，繼而處理(lǐ)器☔通過SPI通(tong)信将流暈(yūn)信息傳送(song)至LCD顯示模(mó)塊。表☀️2~表4分(fen)💃别是n=1,2,3時采(cai)用拟合曲(qǔ)線法設計(ji)的浮子流(liu)量計的測(ce)量數據與(yu)标準表所(suo)測數據的(de)對比結果(guo),并算出示(shi)值誤差。示(shì)值誤差的(de)計算公式(shì)爲:
 
　　其中Qmax爲(wei)儀表最大(dà)測量流量(liàng),Qvs爲被檢流(liú)量計測得(dé)的流量,Qn爲(wèi)🥰标準流量(liang)裝置在該(gāi)點該測得(dé)的标準體(tǐ)積✉️流量。
 
　　從(cong)表2~表4可知(zhi)，以階數n=1得(dé)到的拟合(hé)曲線計算(suan)流體流量(liang),示值誤差(chà)最大在2%以(yǐ).上,拟合效(xiào)果不理想(xiǎng),而以階數(shu)n=3得到的拟(nǐ)合曲線計(ji)算流體流(liú)量時,示值(zhi)誤差在1%以(yi)内,滿足測(cè)量要求,但(dan)由于拟合(he)方程相對(dui)複雜,加大(da)了算法🐕的(de)複雜度,使(shi)流量計算(suan)占用CPU時間(jian)變長,降低(dī)了系統測(cè)量的實時(shí)性。所以本(běn)設計選擇(ze)n=2時拟合得(dé)到的方程(chéng)來計算流(liú)量,不僅🌐滿(man)足了系統(tǒng)的實時性(xìng)要求,而且(qie)系統的測(cè)量精度也(ye)在❓1%以内。
　　分(fen)段修正法(fǎ)将整個測(cè)量範圍分(fèn)爲6~12個段，每(mei)段之間采(cai)用不同的(de)線性方程(chéng)進行修正(zhèng)。表5是采用(yong)分段線性(xìng)法設計🥵的(de)浮💘子流量(liang)計所測流(liú)量與标準(zhun)表所測流(liú)量的數據(ju)。
 
　　對比拟合(hé)曲線法(n=2)和(hé)分段線性(xing)修正法的(de)測量結果(guo)可⁉️以看👌出(chu),拟合曲線(xiàn)法的示值(zhí)誤差較分(fen)段線性修(xiū)正法高,所(suo)以采用拟(ni)合曲線法(fa)更利于提(ti)高系統的(de)測量精👨‍❤️‍👨度(du)。
3結束語
　　本(běn)文設計了(le)一款高性(xing)能的智能(néng)型浮子流(liu)量計，爲保(bǎo)證💯測🔴量精(jīng)度和系統(tong)的穩定性(xing),在流量計(jì)算前增加(jia)了溫度補(bǔ)償環節,減(jian)少了溫度(dù)對傳感器(qi)輸出的影(ying)響。分别采(cǎi)用了拟合(he)曲線法♌和(hé)分段🌏線性(xìng)修正法進(jin)行流量修(xiū)正,實驗結(jie)果表明,拟(ni)合曲線法(fa)的測量精(jing)度明顯優(yōu)于分段線(xiàn)性法。

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