（检测技术与自动化装置专业论文）磁阻式浮子位移测量技术的研究.pdf

中文摘要 浮子流量计是一种经典的变面积式流量计，具有结构简单、工作可靠、压力 损失小且稳定、可测低流速介质等诸多优点。按照锥管材质不同，分为玻璃管浮 子流量计和金属管浮子流量计。玻璃管浮子流量计中浮子的位移可直接读出，一 般用来测量低压、常温、不带颗粒悬浮物的透明液体或气体，但由于它只适用于 就地指示，不能远传流量信号，不能用于测量高温、高压及不透明流体，所以在 工业生产中广泛采用金属管浮子流量计。 课题对于使用纯固态式和半固态式传感器检测金属管浮子流量计中浮子位 移的两种测量技术进行了深入的研究。研制成功了一种非接触式、机械磨损小、 安装简单、工作可靠、稳定特性好、功耗低的半固态式传感器，并将其应用到金 属管浮子流量计中，进行了大量的应用性研究。 首先通过对浮子流量计测量原理和磁阻传感器工作原理的研究，。提出了利用 纯固态式和半固态式传感器检测金属管浮子流量计中浮子位移两种测量技术的 实现方案，研究并分析了两种测量技术的性能与特点。 其次对于半固态式传感器的硬件设计做了详细的介绍，其中包括2 4 v 供电、 电池供电和符合h a r t 协议的2 4 v 供电三种模式。 然后对于半固态式传感器，在m s p 4 3 0 单片机上实现了以g c o s i i 为核心 的软件系统，在保持原系统性能的基础上进一步提高了其可扩展性及可移植性。 并实现了流量计的智能化，可以通过按键设置参数来实现对流量的修正，使之适 应于不同介质，不同密度，不同工作条件的流量测量。瞬时流量和累计流量还可 以在液晶屏上实时显示。 最后对于利用半固态式传感器检测浮子位移的金属管浮子流量计进行了大 量的实验研究，其中包括温度实验和实流实验。实验表明利用该测量技术的金属 管浮子流量计可以达到流量测量1 5 级的精度，温漂仅为0 1 4 3 1 0 。 关键词：浮子流量计浮子位移纯固态式传感器半固态式传感器h a r t 协 议m s p 4 3 0g c o s i i a b s t r a c t r o t a m e t e ri sak i n do fc l a s s i c a lv a r i a b l ea r e af l o wm e t e r , w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b i l i t y , l o wp r e s s u r el o s i n ga n dh i g hs t a b i l i t y a n ds oo n a tt h es a m et i m e ，i tc a nb eu s e dt om e a s u r et h ef l u i dm e d i u mo fl o wf l o w r a t e a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lo fi t st a p e rp i p e ，t w ot y p e so f r o t a m e t e ra r ea v a i l a b l e ： g l a s st u b er o t a m e t e ra n dm e t a lt u b er o t a m e t e r , a n dg l a s st u b er o t a m e t e r w h o s e f l o a t i n ge l e m e n t sp o s i t i o nc a nb er e a dd i r e c t l y , i su s u a l l yu s e dt om e a s u r el o w p r e s s u r e ，n o r m a lt e m p e r a t u r e ，w i t h o u tg r a n u l es u s p e n d e ds u b s t a n c eo ro p a q u ef l u i d b e c a u s ei ti s o n l yu s e di nl o c a lp l a c e ，i td o e s n th a v et h ef u n c t i o n so ft r a n s m i t t i n g r e m o t es i g n a la n dm e a s u r i n gh i g ht e m p e r a t u r e ，h i l g hp r e s s u r eo ro p a q u ef l u i d t h e r e f o r e ，m e t a lt u b er o t a m e t e ri sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lf i e l d s t w ok i n d so ft e c h n i q u e so fm e a s u r i n gt h ef l o a t i n ge l e m e n t sp o s i t i o no fm e t a l t u b er o t a m e t e r , u s e dp u r es o l i ds e n s o r sa n ds e m i s o l i ds e n s o r sr e s p e c t i v e l y , a r es t u d i e d o ni nt h i sp a p e r la n o n - c o n t a c t ，l i t t l em e c h a n i c a lw e a r i n g ，h i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , s i m p l e i n s t a l l a t i o na n dl o w - p o w e rc o n s u m p t i o ns e m i s o l i ds e n s o ri s d e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y , w h i c hh a sb e e na p p l i e dt om e t a lt u b er o t a m e t e rn o w f i r s t l y , t h r o u g ht h er o t a m e t e r s m e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dm a g n e t o r e s i s t a n c e s e n s o r s w o r k i n gp r i n c i p l eb e i n gs t u d i e do n ，t h ei m p l e m e n tm e t h o d so f t h et w ok i n d s o ft e c h n i q u e s ，w h i c hi su s i n gp u r es o l i ds e n s o r sa n ds e m i s o l i ds e n s o r st om e a s u r i n g t h ef l o a t i n ge l e m e n t sp o s i t i o no fm e t a lt u b er o t a m e t e r , i sp u tf o r w a r d e di nt h i sp a p e r a n dt h e i rp e r f o r m a n c ea n df e a t u r ei ss t u d i e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h ed e s i g no fs e m i s o l i ds e n s o r s h a r d w a r es y s t e mi s i n t r o d u c e di n d e t a i l ，w h i c hc o m p r i s e sp o w e rs u p p l yw i t h2 4 vv o l t a g e ，b a t t e r y , a n d2 4 vv o l t a g e a c c o r d i n gw i t hh a r tp r o t o c 0 1 t h i r d l y , f o rt h es e m i s o l i ds e n s o r s ，as o t t w a r es y s t e mb a s e do n 肛c o s i ii sc a r r i e d o u to nm s p 4 3 0 ，w h i c hi n c r e a s e si t sp e r f o r m a n c eo ft h ee x t e n s i b i l i t ya n dm i g r a t i o n i n t e l l i g e n t i z e dc h a r a c t e r i s t i ci s r e a l i z e do nt h ef l o w m e t e r , a n di tc a nb eu s e dt o m e a s u r ef l o wr a t eo fd i f f e r e n tm e d i u m s ，d i f f e r e n td e n s i t ya n dd i f f e r e n tw o r ks i t u a t i o n t h r o u g ht h ek e y st os e tp a r a m e t e r s t h ei n s t a n t a n e o u sf l o wr a t ea n dc u m u l a t i v ef l o w c a nb ed i s p l a y e do nt h el i q u i dc r y s t a l ss c r e e nr e a l - t i m e ， f i n a l l y , m a n ye x p e r i m e n t s ，i n c l u d i n gt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t sa n d f l o w e x p e r i m e n t s ，a r ec a r r i e do u tw i t ht h em e t a lt u b er o t a m e t e r sw h o s ef l o a t i n ge l e m e n t s p o s i t i o ni sm e a s u r e db yt h es e m i s o l i ds e n s o r s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m e a s u r i n gp r e c i s i o nr a t i oo f t h em e t a lt u b er o t a m e t e r a d o p t e dt h i st e c h n o l o g yi s1 5 a n dt h em a x i m u m t e m p e r a t u r ed r i t ti so n l y - o 14 3 10 0 c k e yw o r d s ：r o t a m e t e r , f l o a t i n ge l e m e n t sp o s i t i o n ，p u r es o l i ds e n s o r s ，s e m i s o l i d s e n s o r s ，h a r tp r o t o c o l ，m s p 4 3 0 ，j - t c o s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致i 身 之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：钐兰 签字同期：弘刁年月砌貊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤姿基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采厨影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乃圭金兰 导师签名： 签字r 期：拿司年j 月“同 纥纥 签字只期：妒7 年月 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 浮子流量计的发展概况 第一章绪论 - 很多场合需要了解空气、水、煤气等各种流体的流量，这些流量也是工业生 产过程中常用的过程控制参数，所以流量测量仪表就显得尤为重要。流量测量仪 表主要用于生产中热工过程的测量，是保证连续化生产设备的安全、经济及自动 化运行的重要装备之一，并为自动调节和控制流量参数乃至整个生产过程提供精 确可靠的信息。流量仪表适应生产发展的需要而发展，又促进生产向更高级的阶 段发展。科学技术的进步，新材料、新工艺、电子技术计算机技术的发展，以及 物理学、智能控制理论的发展都是流量仪表发展的基础n 1 。 目前流量计的种类繁多，可以按不同原则划分，按测量方法和结构大致可分 为差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街 流量计、超声流量计、热式流量计等。每种流量计针对不同的被测流体、不同的 流动状态、不同的测量场所，有各自的优势和不足，比如在流速不同的场合，高、 中流速下能实现准确测量的已有孔板、涡街、涡轮等多种流量计，而在低流速流 量测量中，尤其在测微小流量，低雷诺数的情况下，浮子流量计起着十分重要的 作用 2 - t | 。 浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的 流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计阳钉。起源于1 8 世纪中 叶，1 9 世纪末出现了利用这种原理的仪表，本世纪初即盛行欧洲，取名罗托计 ( r o t o m e t e r ) 。在美国、日本也有称作变面积流量计或面积流量计1 阳n ，实际上 本类仪表只是变面积流量计的一种，因占了变面积流量计的大部分，则习惯以变 面积流量计称之。因其具有结构简单，工作可靠，压损小且稳定，可测低流速介 质等诸多优点，一直广泛用于流量工程应用中n 2 1 钉，如对锅炉水处理中流速的 测量n ，供油系统中的油位监测1 钉，吹扫过程控制中的流量测量n 钉，离子膜烧 碱生产线中的流量测量n ，对冰醋酸生产中的液体流量测量“钉等许多工业应用。 我国从1 9 5 5 年开始研制，早在6 0 年代国家计量局和机械工业部曾组织过浮 子流量计的统一设计工作，在统一设计、统一标准和试验研究方面作了大量的工 作，其后又先后颁布了z b y1 3 8 _ 8 3 玻璃转子流量计和j b t6 8 4 4 9 3 金 属管浮子流量计机械工业部的专业标准，j j g1 3 2 8 7 金属管转子流量计试 天津大学硕士学位论文第一章绪论 行检定规程，j j g2 5 7 8 1 玻璃转子流量计试行检定规程，以及j j g2 5 7 4 9 转子流量计国家检定规程等标准和技术规范n 1 ，为浮子流量计的正确使用， 准确可靠提供了必要的技术保证。 浮子流量计按其结构的不同可分为直通型浮子流量计、水平安装型浮子流量 计、浮塞孔板型浮子流量计和直接指示型浮子流量计。另外，按材质还可以分为 玻璃管浮子流量计、塑料管浮子流量计和金属管浮子流量计。其中，金属管浮子 流量计多用于测量高温、高压及腐蚀性介质，除了用于工业原料配比计量外，还 能输出标准信号进行过程控制或直接与记录仪和显示仪配套使用，计量累积流量 n 3 1 n 蝴。新型的材料工艺、精密的加工手段，同样提高了浮子流量计的适应性、 可靠性和重复性，根据现有资料1 钉，目前的金属管浮予流量计最大可耐压4 0 m p a ， 耐温3 0 0 ，测量精度可达1 。金属管浮子流量计有着广阔的发展前景和巨大 的应用市场n 7 1 。 目前，生产浮子流量计的国外厂家有美国的k i n g 仪表公司，菲切尔公司， 英国的p l a t o n 仪表公司、德国的k r o h n e 公司，日本的计装公司，以及俄罗斯的 厂家等，他们生产的浮子流量计囊括了以上三种类型，以p l a t o n 公司的产品为例， 他们的玻璃管浮子流量计广泛的用于实验室流量监控、医院麻醉气体监控系统产 品测试和工艺配料。p t f e ( 聚四氟乙烯) 和塑料管浮子流量计在诸如盐酸、氯 水、9 5 以下的硫酸、氟和氟化物等腐蚀性流体的测量中起重要作用。而金属管 浮子流量计可监测的流体有：压缩空气、氧气、溶剂、润滑油、燃油冷却水等流 体。尤其适用于危险场合和有毒的流体场合“1 1 1 9 1 。 l 。2 浮子流量计中浮子位移测量技术的研究现状 浮子流量计的浮子位移与流量之间存在明确对应的函数关系，测出浮子位移 即可确定流量大小。浮子流量计按照锥管材质不同，分为玻璃管浮子流量计和金 属管浮子流量计。玻璃管浮子流量计中浮子的位移可直接读出，一般用来测量低 压、常温、不带颗粒悬浮物的透明液体或气体，但由于它只适用于就地指示，不 能远传流量信号，不能用于测量高温、高压及不透明流体，所以在工业生产中广 泛采用金属管浮子流量计啪1 。 金属管浮子流量计分为就地指示和远传指示两种，就地指示型即通过指针进 行指示；远传型分为气远传和电远传两种，气动远传浮子流量计的特性及结构与 电远传浮子流量计相似，只是远传信号是0 0 2 卸1 m p a 的气压信号。由于输出为 标准气压信号，所以适于易爆的工艺流程，并可与气动单元组合仪表配套进行流 量测量和调节。目前的远传方式还是以电远传为主：最常用的电远传金属管浮子 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 流量计的结构是，在就地指示型的基础上，再通过特定的机械结构带动差动变压 器或角位移传感器等，将浮子的位置信号转换为差动变压器铁芯或者角位移传感 器等的位移，从而转换成标准电流、电压信号输出。 历史上曾出现过通过机械四连杆带动差动变压器的方法对金属管浮子流量 计的浮子位置进行检测，但这种方法由于原理和结构的限制，差动交压器构成的 位移检测系统很难达到防爆要求，这对应用于现场的金属管转子流量计来说无疑 限制了其在易燃易爆等危险场所的使用吻1 。再加上机械加工复杂，使用过程中 磨损严重，回差大，精度低等缺点现在己不再使用。 目前，金属管浮子流量计从对浮子位移的测量技术上可以分为以下三种： 1 。2 1 非固态式( 纯机械式) 测量技术 传统的金属管浮子流量计大都属于纯机械式，通过电磁感应耦合和机械连杆 机构，带动指针显示或者远传机构向远端输出。由于其局限性，无法进行流量的 精确计量。即便是改进型的机械式金属管浮子流量计，用凸轮板和转角变送器进 行修正，虽然提高了精度，但凸轮板的加工需要根据不同测量介质进行，由流量 公式可知，密度的改变，意味着每种介质都要有其专用的凸轮板，这就增加了机 加工的复杂度，同时流量计量的精度也受到了机械力n - t - _ 的限制；而转角变送器基 本为引进产品，尽管精度较高，但是价格昂贵，仪表成本将大大增加3 1 。 这类金属管浮子流量计的代表产品为德国k r o h n e 公司的h 2 7 系列产品1 1 。 该系列产品采用了转角变送器代替连杆机构，由于结构的精巧，精确度得到了一 定的提高，但是由于还是使用凸轮板进行线性修正，所以仍然存在一定程度的机 械磨损和机械迟滞。 采用转角变送器进行浮子位移检测的流量计的工作原理见图1 1 。 出口t i 锥管；2 浮子；3 连杆；4 5 磁钢：6 平衡扦；7 凸轮；8 调整件 9 转角变送嚣；1 0 t - 麓锤 图1 1 采用转角变送器的流量计工作原理 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 当流体自下而上流过锥管1 时，引起浮子2 产生位移，浮子位移通过磁钢4 、 5 的耦合传给平衡杆6 ，经过凸轮7 的非线性修正和调整件8 的传动，将与流量 对应的浮子位移转换成角位移后传递给转角变送器9 ，转角变送器将角位移信号 转换为与流量值线性对应的标准电流信号输出远传吻】。 ，现在出现了不通过凸轮进行非线性修正的采用电容角位移传感器进行浮子 位移检测的流量计，它是通过控制电路和微处理器进行智能化处理、线性修正， 这样不仅简化了流量计的机械结构，还提高了计算精度。利用该原理进行浮子位 移检测的流量计国内外只有天大泰和自控仪表技术有限公司的专利产品比 例式电容角位移传感器1 2 5 1 。瑞士c a m i l l eb a u e r 公司只是生产电容角位移传感器， 并不生产利用该原理制成的浮子流量计。 电容式角位移传感器构成的位移检测系统不仅具有结构简单、转换精度高、 调整方便、性能稳定、工作可靠等优点，而且可以做成本安型或隔爆型防爆结构， 扩大了流量计的使用范围。它的缺点就是电容角位移传感器的成本较高，安装要 求精度高，为了克服温度特性不好需要复杂的电路结构和数值运算，使得硬件设 计和程序编写比较复杂。而且由于采用的是机械角度传感器，使得传感器易发生 磨损，从而导致在已经磨损的位置出现信号丢失。同时存在可动的机械部件，使 得回差比较大，造成浮子流量计精度不高。 1 2 2 纯固态式( 电子式) 测量技术 由于机械式金属管浮子流量计本身的一些缺陷，比如机械磨损大，存在机械 迟滞等，为了解决这些问题国内外的许多学者进行了大量的理论和实验研究，提 出了多种将浮子的位移信号转换成电信号的方法啪1 1 3 1 | ，有代表性的有光电跟踪 式浮子流量计( 1 9 7 9 ) ，磁悬浮式浮子流量计( s m i g i e l s k i ，1 9 8 5 ) ，双金属丝电 阻式浮子流量计( c y l i u ，1 9 9 0 ) ，激光多普勒式浮子流量计( b u c k l e ，1 9 9 2 ) ， 电容式浮子流量计( c y l i u ，1 9 9 5 ) 等。这些转换方式解决了传统的浮子流 量计的一些不足，但各有优缺点，在技术上尚不成熟，光电跟踪式浮子流量计精 确度和重复性很差：磁悬浮式浮子流量计必须在严格的控制条件下使用才能达到 普通浮子流量计的测量精度：双金属丝式浮子流量计因金属丝浸在液体内，测量 电阻值，所以要求流体必须导电，这样就不能用来测量气体；激光多普勒式浮子 流量计目前只是一种设想，现有的成果只是利用激光多普勒测速法和计算流体动 力学详细研究了流体的特性，这一理论可以用于将来的浮子流量计的设计。电容 式浮子流量计利用浮子稳定时，环形面积的改变使管壁上的电容极板间的电容发 生变化来确定浮子的位置。该方法依赖于流体介质的介电常数。 上述几种非机械式测量方法中，比较可行的测量方法当数固态磁场传感器 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 法。这一类金属管浮子流量计的测量原理是在浮子壳体内嵌入永久磁体，利用固 态磁场传感器霍尔元件或磁阻传感器作为浮子位移检测元件构成一种全电 子式智能化金属管浮子流量计，即由固态磁场传感器直接感受浮子磁场位移，再 配合单片机应用系统，完全去掉了磁钢耦合、非线性修正及传动等机械机构。其 工作原理如图1 2 所示陴1 。 罐瞀 襻子 鼗锯 图1 - 2 采用固态磁场传感器的流量计工作原理 当被测流体自下而上流过锥管时，浮子产生位移，通过霍尔元件或磁阻传感 器直接检测浮子磁场的变化，从而使传感器输出相应电压。该输出电压输入到单 片机应用系统进行处理后，可输出与流量对应的标准电流信号，也可通过标准通 信接口进行数据远程交换。 这种设计的优点是采用固态传感器直接检测浮子磁场的变化，全部取代了可 动的机械部件，彻底消除了机械磨损带来的误差，实现了全电子化和小型化，大 大降低了回差。缺点是由于受到测量口径和夹套的影响，使得浮子磁钢与磁传感 器的距离受到限制，磁传感器所测磁场强度较弱，极易受到外磁场及铁磁性物质 的影响；并且由于浮子磁钢处于被测流体中，磁钢磁场受到流体的温度及其中的 铁磁性物质的影响，造成浮子磁场变化，导致测量结果误差啪1 。 目前，就浮子位置检测手段及水平来说，固态磁场传感器要优于转角变送器。 这类浮子流量计以英国的p l a t o n 公司的c 2 0 7 6n 钉为代表。肖兴达等在基于霍 尔传感器的金属管转子流量计的设计阳q 中介绍了一种使用固态传感器检测浮子 位移的方法，但是，国内尚未见到固态磁场传感器的成型产品出现，当前还是主 要依赖引进技术，不拥有独立的知识产权，且价格居高不下。 1 2 3 半固态式( 机械电子混合式) 测量技术 当前最有前途、最热门研究的金属管浮子流量计中浮子位移测量技术采用的 是半固态式的，也叫机械电子混合式。它的浮子位移传动部分采用机械式，但传 感器采用的是纯固态的磁阻传感器，所以称为机械电子混合式。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 采用磁阻式传感器进行浮子位移检测，其工作原理见图1 3 。 出口f 1 锥管i2 浮子，3 连杆l4 ，s t 醐l 6 平衡轩8 磁l 且伟盛暑 图1 - 3 采用磁阻式传感器的流量计工作原理 当流体自下而上流过锥管1 时，引起浮子2 产生位移，浮子位移通过磁钢4 、 5 的耦合传给平衡杆6 ，平衡杆的转动引起其上安装的磁钢7 的转动，这样就将 浮子的直线位移转换成磁钢7 的角度位移，再通过固态的磁阻传感器8 检测磁钢 7 的磁场方向的变化，从而使传感器8 输出相应的电压，该输出电压输入到单片 机应用系统进行处理后，可输出与流量对应的标准电流信号输出远传。 该浮子位移检测方案为目前热门研究方案之一，采用固态的磁阻传感器替代 现有纯机械式角位移传感器的测量，避免了角位移传感器因机械部分磨损而发生 信号丢失的现象，而且具有高的分辨率，低功耗，体积小的优点。对磁铁的温度 系数不敏感，对冲击和振动不敏感，以及可以承受传感器和磁铁之间间隙较大的 变化。而且可以做成本安型或隔爆型防爆结构，扩大了流量计的使用范围。 浙江大学的柳颖等在基于单片机的智能金属浮子流量变送器汹1 中介绍了 一种使用磁阻式传感器来测量浮子位移的流量计的设计方案，但文中只是对于智 能信号处理部分的硬件电路的设计作了详细的介绍，并没有涉及转换器部分的实 现，没有给出实流实验数据，在给定的环境温度( 2 5 + 5 5 ) 范围内的温度特 性也没有进行研究。 1 3 课题研究的主要内容和创新点 本课题对于使用纯固态式和半固态式传感器检测金属管浮子流量计中浮子 位移的测量技术进行了深入的研究，研制成功了一种非接触式、机械磨损小、安 装简单、工作可靠、稳定特性好、功耗低的半固态式传感器，并将其应用到金属 管浮子流量计中，进行了大量的应用性研究，使金属管浮子流量计的工况条件放 宽，能在更广泛的工作环境中得到应用。 课题有以下三个创新点： 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 提出了一种使用半固态式传感器检测金属管浮子流量计中浮子位移的新 方法，并成功研制了一台半固态式传感器。用该传感器替代现有角位移传感器的 测量，避免了角位移传感器因机械部分磨损而发生信号丢失的现象，而且具有高 分辨率，低功耗，体积小的优点。对磁铁的温度系数不敏感，对冲击和振动不敏 感，以及可以承受传感器和磁铁之间较大间隙的变化。实验表明该产品可以达到 流量测量1 5 级的精度，温漂仅为0 1 4 3 1 0 。c 。 2 对利用纯固态式传感器检测浮子位移的测量技术进行了深入的研究，并 分析了该测量技术的性能与特点。 3 对于半固态式传感器，在m s p 4 3 0 单片机上实现了以g c o s i i 为核心的 软件系统，在保持原系统性能的基础上进一步提高了其可扩展性及可移植性。并 实现了流量计的智能化，可以通过按键设置参数来实现对流量的修正，使之适应 于不同介质，不同密度，不同工作条件的流量测量。瞬时流量和累计流量还可以 在液晶屏上实时显示。 1 4 论文组织结构 论文共分为六章。 第一章绪论部分，主要介绍了浮子流量计的发展概况和目前存在的金属管 浮子流量计测量浮子位移的三种方法，并结合课题的研究背景阐述了本课题的研 究内容和意义。最后，介绍了课题的创新点和论文组织结构。 第二章介绍了浮子流量计的测量原理和磁阻传感器的工作原理，分别论述 了使用纯固态式和半固态式传感器检测金属管浮子流量计中浮子位移的两种测 量技术的信号检测原理和流量修正公式，研究并分析了两种测量技术的性能与特 点。 第三章设计了半固态式传感器的硬件系统。 第四章首先介绍了嵌入式实时系统的基本概念，然后说明了半固态磁阻式 传感器软件的总体功能，最后给出了基于p c o s i i 的软件实现。 第五章给出了半固态磁阻式传感器实流实验和温度实验的实验数据，并对 实验数据作了进一步的分析。 第六章对课题进行总结，提出了课题将来发展的建议。 天津大学硕士学位论文 第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 2 1 金属管浮子流量计计量原理 浮子流量计结构原理图如图2 - 1 所示，浮子流量计主要由一个向上扩张的锥 形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子构成。当流体自下而上流入锥 管时，被浮子截流，在浮子上、下游之间产生压力差，浮子在压力差的作用下上 下移动，此时作用在浮子上的力主要有三个：动压力( 压差力) 、浮力、重力。 当这些力平衡时，浮子就平稳地浮在锥管内的某一位置上。对于给定的浮子流量 计，浮子大小和形状已经确定，因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知的， 是常量，但是流体对浮子的动压力是随来流大小显著变化的。因此当来流速度变 化时，浮子将在其平衡位置上，作向上或向下的移动，当来流重新恒定时，浮子 就在新的位置上稳定。对于一台给定的浮子流量计，浮子在锥管中的位置与流体 流经锥管的流量的大小成一一对应关系。这就是浮子流量计的流量计量原理。 h 图2 - 1 浮子流量计结构原理图 浮子流量计算公式如式( 2 - 1 ) 2 7 嘲嘲1 所示。 q = a ，r d o h t g + ( h t g 妒) 2 式中： 或为标尺零点处锥形管直径 h 为浮子平衡时在锥形管中的高度 妒为锥形管的锥半角 8 ( 2 1 ) 天津大学硕士学位论文第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 为浮子的体积 乃为浮子材料密度 户为测流体的密度 s ，为浮子垂直于流向的最大截面积 2 2 磁阻传感器的工作原理 2 2 1 磁阻效应 磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应( 或 称高斯效应) 。在洛伦兹力作用下使一些载流子往一边偏转，所以半导体片内电 流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片 的电阻变化。 。与霍尔效应的区别如下：即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁 阻效应则是沿电流方向的电阻变化。 磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显 著；元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大。 磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量。 2 2 2 磁阻传感器的工作原理 磁阻传感器早在大约2 0 0 0 年前就开始使用，最早的磁阻传感器是一块有磁 极的磁石，人们用它来在无航道的大海上指示方向。然而，直到2 0 世纪，磁阻 传感器技术虽已具有更高的灵敏度、更小的尺寸和与电子系统更好的兼容性，但 它仍然主要使用于航海中。随着现代科学技术的发展，各种各样的磁阻传感器不 仅可以测量来自地球磁场的存在、强弱和方向，而且可以测量来自永磁体、软磁 体、车辆移动、脑电波的活动以及电流所产生的磁场。由于磁阻传感器可以不经 过物理接触就能测出它们的特性因此，磁阻传感器变成了许多工业和航海控制 系统的“眼睛蜘。 磁阻传感器是由一长条铁磁薄膜( 如透磁合金、镍铁合金) 制成的。用标准 半导体技术将这些薄膜熔制在硅片上。板的厚度有几百埃( 1 5 0 5 0 0 ) ，宽度为几 十微米( 1 0 5 0 ) ，长度从几百至几千微米。 磁阻传感器有下列属性，使它们在众多应用中都可选用： 尺寸小。 高灵敏度，使传感器可距被测铁磁物体一段较长的距离。 9 天津大学硕士学位论文第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 由于内阻抗小，使其对电磁噪声和干扰不敏感。 由于是固态溶液，无转动部件，使它具有高度可靠性。 由于部件能方便地装入在插板产品中，而使实施成本降低。 磁阻传感器为磁场的检测提供高灵敏度和独特的解决方案，可根据物体具有 磁性信号的特征支持对物体的识别。这些特性可应用于检测如武器等的安全系统 中，或用于在收费公路上对车辆进行检测。它特别适合用于货币鉴别、跟踪系统， 如在虚拟现实设备中和固态电子定向罗盘中。与磁铁组合也可用于齿轮传感。磁 阻传感器可传感芯片平面内沿一个方向的磁场，这使其可与能传感沿芯片平面法 向磁场的霍尔效应装置区别开来。这可使应用设计者在以霍尔效应传感器无法使 用的几何构型中使用磁阻传感器。许多应用既可使用霍尔效应传感器也可使用磁 阻传感器，但在需要低灵敏度而较宽的线性范围时，应使用霍尔效应传感器；在 要求高灵敏度时则应使用磁阻传感器。 惫弑触：i 矽 坚。盏鍪鍪童i 鍪潼誊誓羞o ，一 # 施加豹磁场 f 透磁含金辩膜 ( n i f c j kl 7少 l； 卜；z参 一土羔 a ? ? 譬l y l l 施加豹磁场( 高斯 图2 2 磁阻传感器的工作原理及典型的磁阻响应曲线 图2 3 惠斯顿电桥和磁阻传感器的工作原理 各向异性磁阻( a m r ) 发生在铁质材料中，图2 - 2 说明了磁阻传感器的工作原 天津大学硕士学位论文 第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 理和一个磁阻板对外部磁场的典型响应。当在其制成的薄板中施加一个垂直于电 流方向的磁场时，它本身的电阻发生明显的变化，电阻值先是随着磁场强度的增 大而增大，增大到一定程度又开始慢慢减小，这就是磁阻传感器的测量原理。 惠斯顿电桥是磁阻传感器的主要组成部分。图2 3 所示为用四个磁控电阻组 成的惠斯顿电桥，供电电压为v b ，施加一个垂直于电流方向的偏磁场，使穿过 电阻器中的磁场方向和电流间有一个约4 5 。的夹角。如果电阻器是同一种结构， 则未施加磁场时四个电阻器的电阻是相同的，正交施加的磁场使两个反向放置的 电阻器因磁化而产生正向电流，使电阻有一个增量a r 。在剩下的两个反向放置 的电阻器中，由于磁化而产生反向电流，导致电阻减少a r ，电桥输出v 。矿( r r ) v b ，被为传感器的传递函数。在线性区内，输出与施加的磁场成正比。灵敏 度和传递函数的线性范围对于传感器来说是两个重要特征。惠斯顿电桥输出的线 性范围与灵敏度成反比关系，线性范围越大，灵敏度越低，线性范围越小，灵敏 度越高。 2 2 3 霍尼维尔公司的磁阻传感器h m c l 5 0 1 和h m c l 5 1 2 瑚c 1 5 0 1 和m l c l 5 1 2 是霍尼维尔公司低功耗、高灵敏度的磁阻传感器，他们是 由磁阻合金薄膜组成的惠斯顿电桥，通电后，它将任何相关磁场或应用磁场转化 为电压输出。但当它工作在饱和方式时，只对于磁场的方向敏感。饱和方式是指 外界磁场值大于特定的一个值( 饱和值) ，并且传感器的磁敏感方向与磁场的方向 相同。此时，它们的输出只反应外部磁场的方向，而不反应磁场的大小。工作在饱 和方式下，此系统可以不受温度影响，不受磁系数影响，并且对磁钢与传感器列的 距离不敏感。h m c l 5 0 1 和h m c l 5 1 2 的饱和磁场均为8 0 高斯，即要想让它们工作在饱 和方式下，磁感应强度只需大于8 0 高斯即可。这种强度的磁场，可以由任何永磁体 来产生，包括低成本的铝镍钴或陶瓷磁钢。 o u 了+ av 睬l o g e a 图2 4h m c l 5 0 1 和删c 1 5 1 2 内部电路原理图 工作在饱和方式下时，h m c l 5 0 1 使用一个磁阻桥；h m c l 5 1 2 使用两个磁阻桥， 天津大学硕士学位论文第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 共存于一个膜片上，桥b 相对于桥a 物理上旋转4 5 。，如图2 4 所示。h m c l 5 0 1 的输 i i v = v s x s x s i n ( 2 0 ) ，而h m c l 5 1 2 中桥a 的输出v a v s s s i n ( 2 e ) 和桥b 的输出 v b = - v s x s x c o s ( 2 0 ) ，v s 是供电电压，0 是外部磁场和参考方向之间的夹角，s 是常 数，取决于材质，典型值1 2 m v v 。 h m c l 5 0 1 和h m c l 5 1 2 的特点见表2 1 ： 表2 1h m c l 5 0 1 和i 珈c 1 5 1 2 的特点 不需要稀土元素磁铁不象霍尔效应传感器需要钐钴磁铁或类似的稀土元素磁铁， l 蹦c 1 5 0 1 1 5 1 2 可以和铝镍钴磁钢或陶瓷类磁钢一起工作。 宽角度范围h m c l 5 0 1 角度范围为4 5 。，分辨率0 0 7 删c 1 5 1 2 角庸范围为+ 9 0 。分辨塞0 0 7 有效的线性范围传感器和磁铁之间的线性距离为8 m m ，如果多个传感器排列起来使 用，线性距离可能会增加。 绝对角度的检测与增量式的“编码器”类的传感器不同。 - m c l 5 0 1 永远知道其准确 的位置，不需要分度来提供相应位置的输出。 非接触的感应没有可移动的部件，不会发生磨损；不会象传统的接触式的旋转传 感器那样，在已磨损的位置出现信号的丢失。 小体积8 针的表面贴装式封装，体积为5 m m x 4 m m x l 2 m m ( 不包括管脚) 。 较大的信号输出当供电电压为5 v 时满量程输出为1 2 0 m v 。 2 3 磁阻传感器采用恒流源供电和恒压源供电的比较 从上一节可以看出霍尼维尔公司的磁阻传感器h m c l 5 0 1 和h m c l 5 1 2 内部 使用的均是惠斯顿电桥。设其供电电源为v b 。当电阻中有电流流过时，在电桥 上便施加的偏置磁场h 将使得两个相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转 动，从而引起电阻阻值的增加；另外两个相对放置的电阻的磁化方向背向电流方 向转动，从而引起电阻阻值减小。这样，便可在线性区域输出和外加磁场成正比 的信号。 设4 个电阻的初始值为r ，当有磁场变化时，电阻值两个增加欲，两个减 小a r 。另外由于温度的影响每个电阻值都有歙，的变化量。 1 恒压供电方案 恒压源供电电路如图2 5 所示，电桥输出为： 1 2 天津大学硕士学位论文第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 图2 5 对惠斯顿电桥使用恒压源供电电路图 ，u ( 尺+ 丝+ a r t )u ( g - 敞+ a r t )， ” u d 2 u b d2r-zkr+art+r+lxr+artji_五五ji五云j_云二jj云f五鬲 、z 。z 7 整理后得 = u 面 a 面r 如果挑= 0 ，即没有温度影响，则 = u 等 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 说明了电桥的输出与竿成正t t ：，即与磁场的变化成正比，同时也 k 与电源电压成正比，因此电桥输出电压与电源电压【，的大小和精度都有关系。 如果盐0 ，则电桥输出与皿有关，也就是电桥的输出随温度变化而 变化，而且这种影响是非线性的，所以用恒压源供电，不能消除温度的影响。第 六章第二节温度实验的结果也可以证明这一点。 2 恒流供电方案 恒压源供电电路如图2 - 6 所示： 1 3 天津大学硕士学位论文第二章纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 图2 - 6 对惠斯顿电桥使用恒流源供电电路图 恒流供电时，电桥两个支路的电阻相等，故 则有 因此电桥输出为 整理后得 j k = 置雠一2 ( r + a r , ) ， i a 8 c = i 状= o 5 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 乩= = 三邶+ 欲+ 仳) 一三邶一欲+ 皑) ( 2 - 7 ) u o = = i a r ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 说明电桥的输出与电阻变化量成正比，即与磁场的变化成正比； 电桥的输出也与供电电流成正比，即输出与恒流源供给电流大小和精度有关；同 时也说明电桥输出与温度无关。所以用恒流供电，可以消除温度的影响。第六章 第二节温度实验的结果也可以证明这一点。 1 4 天津大学硕士学位论文第二章纯同态式和半固态式传感器的研究与设计 2 4 纯固态式金属管浮子流量计中浮子位移的测量原理 本课题设计的纯固态式金属管浮子流量计是利用4 个沿管体方向等距离放 置的磁阻传感器h m c l 5 0 1 ，配合单片机应用系统，完全去掉了磁钢耦合、非线 性修正和传动等机械结构，彻底消除了机械磨损带来的误差，实现了全电子化和 小型化，大大降低了回差。其检测原理如图2 7 所示。 柽臀 浮乎 图2 7 纯固态式金属管浮子流量计原理图 j , - - 2 0 m a i ，c 靖 i 通i 每 当被测流体自下而上流过锥管时，浮子产生位移，通过4 个磁阻传感器的磁 力线角度就都会发生变化，从而使4 个磁阻传感器输出相应电压。这4 个传感器 的输出电压输入到单片机应用系统进行处理后，可驱动显示器显示流量并输出与 流量对应的标准电流信号，也可通过标准通信接口进行数据远程交换。 通过本章第二节的介绍可知h m c l 5 0 1 的输出是一个关于角度0 ( 外部磁场 和参考方向之间的角度，如图2 8 所示)