流量計量是計量中的一個重要組成部分。目前已開發和使用的流量儀表大致可分為差壓式、容積式、浮子式、葉輪式、電磁式等*類100多個品種，基本能解決工業生產中流量測量的一般問題。但是，一些特殊領域的流量測量問題仍難以解決，如臟污、高黏度和具有腐蝕性的流體等，用一般的孔板流量計測量已經難以達到精度要求，而電磁流量計卻不能對非導電液體和氣體進行測量[1]。由于這些介質會使流量計的腐蝕、磨損、堵塞時有發生，所以流量儀表的測量準確度、運行費用、安裝維護費用、壓力損失等都尚存在一定問題。
靶式流量計是20世紀60年代出現的，其傳感器不與流體介質直接接觸，因此對檢測介質的種類要求不高，尤其適用于高黏度、低雷諾數的流體及含有微小顆粒的流體的測量，在一定程度上解決了“困難流體”的檢測問題。靶式流量計以其結構簡單、無可動部件，且維護方便、不易堵塞的優點而得到廣泛的應用[2]，可適用于石油、化工、能源、食品、環保和水利等領域的測量[3]。
不管是傳統氣動和電動靶式流量計還是目前市場上存在的應變片電橋和電容力傳感器靶式流量計，都是以測量流體對靶的作用力為直接研究對象，主要選用了力傳感器。其中，氣動和電動靶式流量計的機械結構復雜、靈敏度低、量程范圍窄，早已不符合高精度測量的要求[4]；而應變片式的設計中，應變片直接貼在彈性體上，容易受介質溫度變化影響產生溫漂，抗過載能力較差[5]。鑒于流體本身在流動過程中對靶的沖擊力，會使得靶和傳感器之間的距離產生了變化。本次設計，就以測量靶桿與傳感器的微小位移變化為基點，選擇位移傳感器來進行測量。
本文主要介紹一種新型的基于電渦流傳感器的靶式流量計。電渦流傳感器是以高頻電渦流效應為原理的非接觸式位移傳感器，可對進入其測量范圍內的金屬物體運動參數進行精密的非接觸測量。電渦流傳感器正是因為其特殊的測試原理，因而對油污、塵埃、濕度、干擾磁場等不敏感，特別適用于在油、汽、水惡劣環境下長期工作。在用該新型靶式流量計對氣體流量進行檢測時，無論是線性度、穩定性、低流量特性、范圍度等各方面都表現出較好的特性，并進一步拓展了靶式流量計的研究。
1 電渦流靶式流量計原理和結構
靶式流量計是通過一塊靶板將流體所攜帶的動壓能轉化為對靶的作用力，再經過檢測靶板所受作用力的大小，從而計算得到相應的流速及流量。流體流動時對中心靶的作用力主要是流體對靶的沖擊力和因流速在靶后分離產生的差壓而形成的作用力。經計算分析可知，流體對靶的作用力F與流速u的平方成正比，其關系如式（1）。
（1）
式（1）中：F—流體對靶的作用力；ζ—阻力系數（當雷諾數達到一定值時，ζ趨于常數）；A—靶的迎流面積；u—靶和管壁間環形截面處流體的平均流速；ρ—流體密度。
我們令α=1ζ，作用力F與體積流量的關系見式（2）：
（2）
式（2）中：D—管道內徑；α—流量系數；β—靶徑比，β=d/D（d為靶徑）；K—常系數。取D=50mm，β=0。8時，當Re>2030，流量系數α是一個常數。于是Qv就和F的開方呈線性關系[6]。
電渦流傳感器機結構簡單、靈敏度高、抗*力強、測量線性范圍大，而且具有非接觸測量的優點，適用于作為流量檢測儀器儀表的傳感器。
電渦流靶式流量計主要由測量管（外殼）、阻流元件（靶）、電渦流傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、信號處理電路、液晶顯示等組成。其結構如圖1。
圖1靶式流量計結構圖
電渦流傳感器固定在管道內沿，靶式流量計在工作時，流體只能沿標定的正方向流動。當流體從正方向沖擊靶時，靶會帶動靶桿有微型的移動，因此和探頭產生位移差。
電渦流傳感器是利用感應電渦流原理實現位移檢測的，如圖2，它是電感式傳感器的一種[7]。
圖2電渦流傳感器原理圖
傳感器由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。利用金屬靶桿在接近這個能產生電磁場的振蕩感應探頭時，使靶桿內部產生渦流。這個渦流反作用于傳感器探頭，使探頭振蕩能力衰減，內部電路的參數發生變化[8]，可識別出靶桿與探頭端面的相對位置。
我們知道：當無流量時，金屬靶桿自由放置，與探頭的距離zui小，渦流效應zui強，傳感器線圈電感zui小，諧振時回路的等效阻抗zui小，輸出電壓zui小；當靶受力時，靶桿漸漸遠離探頭，傳感器電感增大，諧振時回路的等效阻抗變大，輸出電壓也隨著變大。這樣，可根據金屬靶桿與傳感器之間的位移變化，來判斷靶受力的大小。
靶桿選用的材料是45號鋼，它是碳素結構用鋼，具有較高的強度和韌性，在多次試驗中不易變形，且探頭對它的檢測靈敏度較高。試驗中，將靶桿固定在測量平臺的一端，電渦流傳感器置于平臺的可水平移動部件上，并配以千分尺來讀取位移值，就可得到傳感器和靶桿之間位移和輸出電壓的關系曲線。測量時，在0～5mm的位移區間內，每增加0。5mm的位移量測一次電壓值。在這里選取三組實驗數據繪制成位移-電壓關系圖，見圖3。
圖3位移2電壓關系圖
可以看到，電渦流傳感器的非接觸測量，重復性非常好，尤其在0。5mm～3mm的位移時線性良好。可選取這段距離作為靶式流量計的工作距離。電渦流傳感器可長期可靠工作，靈敏度高，響應速度快。在無損檢測和大型旋轉機械的軸位移、軸振動、軸轉速等參數進行長期實時監測中被廣泛應用。
2 系統設計
控制核心單元選用的是美國TI公司生產的單片機MSP430F435，圖4為整個系統的結構框圖。系統控制器為一片MSP430F435單片機。外部模塊包括流量檢測、壓力檢測、溫度檢測、電源模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、標準電流輸出、時鐘芯片等。
流量信號由電渦流式傳感器檢測，通過信號處理電路輸出電壓信號。將此電壓信號送入單片機的A/D處理，計算得到相應的瞬時流量和累積總量。再由單片機與AD420芯片進行通信zui終將瞬時流量轉化為4～20mA標準電流輸出，實現流量信號的遠傳。
溫度傳感器采用Pt100鉑電阻溫度計，鉑電阻在很寬的范圍內有相當好的穩定性，因此有*的復現性能，是作為精密溫度計的主要傳感器[9]。壓力傳感器采用MPX10型微型壓力傳感器。溫度和壓力傳感器采集得到的信號分別經儀表放大器放大后送給單片機對流量進行補償。
MSP430單片機對傳感器采集的流量、溫度、壓力信號，進行濾波、線性修正、密度補償等數字處理，并將zui后的瞬時流量、累積流量、溫度和壓力顯示在液晶屏上。
圖4系統框圖
3 軟件設計
整體系統的軟件程序采用C語言編寫，軟件算法的設計以測量的性為主要目標，其主要程序流程圖如圖5。
系統的軟件部分主要包括信號采集、瞬時流量計算模塊、流量累積模塊、串行同步/異步模塊、顯示和按鍵處理模塊。
圖5主程序流程圖
瞬時流量計算模塊主要就是將A/D轉換后的流量信號，經過壓力和溫度的實時補償，根據相應的計算公式計算出的瞬時流量值。
流量累積模塊是整個系統的核心，關系到整個儀表的精度。軟件設計思路采用1s一次的定時中斷對瞬時流量進行累積，實現流量的累積。
為了能夠實現流量信號的遠傳需要將流量信號轉換為4～20mA的標準電流信號，也就是標準電流輸出單元。本單元的核心部分是采用AD420芯片來實現的，單片機通過串行同步/異步模塊（USART），然后再經過AD420轉換為標準的4～20mA電流信號進行遠距離傳輸[10]。
按鍵處理模塊主要是使LCD液晶具有瞬時流量和累積流量的切換顯示功能。
4 試驗數據
試驗在音速噴嘴檢測裝置上進行。音速噴嘴作為標準流量計法氣體流量標準裝置，它的精度高、復現性好、性能穩定，因而被廣泛地應用于各種氣體流量計的檢測和校準[11]，其檢測精度為0。2%。對靶式流量計進行了多次檢測，這里取3組實驗結果數據進行分析，試驗時環境溫度為24。96℃，大氣壓為100。57kPa，管道直徑DN50。實驗結果見表1，并將表1的數據畫成曲線圖如圖6。
表1流量測量實驗數據
圖6流量與電壓關系圖
從表1和圖6可以看出，電壓與流量之間具有較好的線性對應關系，這樣我們就可以根據輸出的電壓來檢測流場中的流量。并且在相同的實驗條件下，當氣體流量相同時，三組實驗的輸出電壓值也基本相同，即三組實驗的輸出電壓重復性較好。這就表明運用電渦流傳感器測量氣體流量是可行的。
流量計對應的響應方程通常描述成Q=f（U），Q為流量，U為對應變化的電壓。
這里對實驗中的*組數據進行直線擬合，并確定其擬合公式，建立流量傳感器的數學模型。如式（3）：
Q=50。038U-3。6217（3）
單片機就可以根據電壓計算出流量值，再通過溫度和壓力的補償得到瞬時流量。
該靶式流量計所測量的流量與標準流量裝置之間的誤差，如表2。
表2測量誤差
從表2可以看到，該靶式流量計引用誤差均在1%以下，*符合一般工業管道流量的測量。相信在不斷的試驗研究和改進后，精度和量程比還可以進一步提高。電渦流靶式流量計具有非常高的推廣和使用價值。
5 結語
靶式流量計的傳感器不與被測介質直接接觸，不存在零部件磨損和腐蝕，使用安全可靠。本次設計的靶式流量計，采用了全新的電渦流傳感器進行流量信號的檢測。結合MSP430單片機，具有溫度和壓力的一體化補償，抗干擾、抗雜質能力強，智能化程度高。它既有現場指示流量值，又可發送標準電流信號，實現遠程控制。其對氣體的流量測量具有優于1%的測量精度，并有進一步改良的空間，因此是一款具有發展前景的流量計。
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