1 电容式靶式流量计的工作原理

    电容式靶式流量计的传感器由力产生装置和力转换单元两部分组成。图1为传感器的结构图。

图1 传感器结构图     

    传感器的力产生装置即测量元件，是一个放在管道中心的圆形靶，流体流动时冲击到靶上，使靶面受力并产生相应的微小位移。靶所受的作用力与流体流速的平方、流体密度及靶的受力面的面积成正比[6]。即：

      （1）

    式（1）中：F—圆形靶所受到的力；k—阻力系数；ρ—流体密度；u—靶和管壁间环流面的平均流速；A—靶的迎流面积（A=πd²/4，d为靶径）。

    由式（1）可知流体的体积流量和靶所受作用力的关系：

      （2）

    式（2）中：QV—流体的体积流量；D—管道内径；β—靶径比；kα—流量系数；k1—常系数。    

    当雷诺数Re大于2030时，流量系数kα趋向于一常数，因此体积流量QV与靶所受作用力F的开方呈线性关系。

    传感器的力转换装置为一差动电容结构，由两组对称安装的电容组成，如图1。差动电容组的两片动电极能随着靶杆的微小偏移而发生位移，而两片静电极位置固定不动。因此，当靶杆发生微小偏移之后，两组电容的电容极间距都发生了变化：一组电容极间距减小，电容值增大；另一组电容极间距增加，电容值减小。从而原本对称安装、电容值相同的两组电容产生了一个电容差值。若靶受到流体冲击时，受力为F，动电极随靶杆发生微小偏移Δx，而电容原始极间距为d，Δx相对于d极为微小，则差动电容值C与偏移Δx存在以下关系：

       （3）

    式（3）中：C1、C2—两组电容的电容值；ε—介电常数；S—极板相对面积。

    由式（3）可以得出以下关系：

      （4）

    即体积流量Q_V与差动电容值C的开方亦存在线性关系。因此可以通过检测差动电容值，来判断体积流量的大小。这就是电容式靶式流量计的基本测量原理。   

    2 硬件电路设计

    流量计二次仪表的硬件电路主要由电源模块、信号处理模块、数字处理及显示模块、按键模块、通讯模块等组成（图2）。

图2 二次仪表系统框图

    在二次仪表的设计中，选用超低功耗的MSP430f147单片机作为核心控制芯片。MSP430系列单片机是美国德州仪器推出的性能优良的16位单片机，具有功耗低、运算速度快以及功能模块丰富等特点。MSP430f147单片机将采样的流量、温度、压力信号，进行滤波、线性修正、密度补偿等数字处理，并在液晶上显示实时的瞬时流量、累积流量、温度和压力。同时可以通过按键对各类参数进行实时修改。此外，仪表还具有电池欠压检测、保护及过量程报警等功能。

    传感器上选用了高精度的电容数字转换芯片AD7745，可直接对传感器差动电容值进行测量，并通过I²C串行接口将转换到的数字信号（0-65535）输出给单片机进行处理。同时AD7745芯片与差动电容组近距离安装，可有效减小寄生电容的干扰，提高传感器的灵敏度。

    管道中流过的流体在不同的温度和压力下，它的密度也是不同的，因此需要对流体的密度进行温压补偿[7]。由于单片机MSP430f147的ADC模块支持快速的12位A/D转换，采样速度快，能满足大多数的数据采集应用场合[8]。利用这一功能，温度传感器和压力传感器输出的模拟量信号送至单片机的ADC模块进行A/D转换后采用数字滤波方式来减小随机误差，以提高温度和压力测量的准确性。单片机再进行一系列数字处理来实现流量的密度补偿[9]。温度传感器选用Pt1000热电阻温度传感器[10]，精度可达0.1℃。压力传感器选用精度等级为0.5级的压力变送器，量程范围为0～1MPa。通过密度补偿能有效提高流量测量的精度。

    仪表设计的通讯模块可实现脉冲输出、0～10V电压输出、4～20mA标准电流输出[11]、以及RS485通讯等，可以有效满足流量计工业应用中的多种需求。

    3 软件设计

    系统的软件设计主要为完成各硬件模块的初始化，实现各种检测、修正、补偿等功能，以及各种参数的输入与显示，从而保证流量计测量的准确性和稳定性。系统主程序流程如图3。

图3　主程序流程图

    软件具有以下特点：

    1）程序采用了C语言编写，充分利用了高级语言的数值计算能力，程序的计算精度与汇编程序相比有了很大提高。同时程序的可移植性增强，便于检查、修改、扩充和阅读。

    2）流量测试中，软件采用了多种修正算法，如：数字滤波，传感器零点修正，传感器的线性修正，二次仪表零点修正，流体密度的温压补偿等等，从而使测试精度和量程范围大大提高。

    3）软件中按键处理模块可实现对各类参数在线修改，包括：传感器零点与系数的修改，流量单位以及小数点位数的选择，流量报警限值的修改等。从而大大提高了仪表使用的灵活性。    

    4 试验数据

    通过对流量传感器各部件的设计、安装，将流量计的满量程设计为100m³/h，并选用流量计的液表模式在大型水流量试验装置中进行测试，试验数据，见表1。

    试验数据表明：流量计在量程比为15∶1时，测量精度可达0.5级，除在小流量测量段误差较大外，在其他测量段，引用误差均小于0.5%，精度和量程比较传统靶式流量计都有很大提高，具有很高的应用价值。

    5 结语

    本文介绍的新型电容式靶式流量计，其传感器部分采用差动电容结构，结构简单、工作可靠、灵敏度高。另外，仪表设计中了采用修正、补偿等 多种数字处理方式，使流量计较现有常用的各类型靶式流量计在测量精度上有很大的提高。该流量计在试验中体现了较好的测量准确度和测量稳定性，加之其特有的抗干扰、抗杂质性能，除能测量常规流量计量问题外，它在小流量、高粘度、易凝易堵等流量计量困难的工况中还具有良好的应用前景。