0 引言
在工業生產和科研測量中，經常遇到小流量、低雷諾數的流量測量。轉子流量計由于具有靈敏度高、測量范圍寬、壓力損失較小且恒定、測量介質種類多、工作可靠、維護簡便、對儀表前直管段要求不高等優點，已被廣泛應用。
轉子流量計的浮子位移與流量之間存在明確對應的函數關系，測出浮子位移即可確定流量大小。由于流量計的浮子位移不能直接讀出，所以，將磁鋼封入浮子內，由設在轉換器內的磁耦合機構得到浮子位移，并由位移傳感器將與流量對應的浮子位移轉換成電信號遠傳輸出。目前，常用的位移傳感器有兩種：差動變壓器式傳感器和電容式角位移傳感器；但是，使用兩種位移傳感器要獲得與流量對應的位移信號，需要通過磁鋼耦合以及相應的四連桿、凸輪等機械機構進行非線性修正和傳動來實現，無法實現流量計的轉換器全電子化、小型化、智能化。為此，推出了采用霍爾傳感器檢測浮子位移的新型流量計。
1 系統構成原理
該流量計采用線性霍爾傳感器檢測浮子位移，配合單片機應用系統，去掉了磁鋼耦合、非線性修正及傳動等機械機構，其工作原理如圖1所示。
當被測流體自下而上流過錐管時，浮子產生位移，通過線性霍爾傳感器的磁力線角度就會發生變化，從而使霍爾傳感器輸出相應電壓，該輸出電壓輸入到單片機應用系統進行處理后，可驅動顯示器顯示流量并輸出與流量對應的標準電流信號，也可通過標準通信接口進行數據遠程交換。
2 霍爾傳感器檢測浮子位移的基本原理
因為封入浮子中的磁鋼的磁感應強度隨著被測介質溫度的變化而變化，長期使用后，還會產生退磁。因此，采用霍爾傳感器[1]檢測浮子位移時，必須消除磁鋼磁感應強度變化的影響。另外，霍爾傳感器的霍爾靈敏度系數也會隨著溫度的變化而變化，采用霍爾傳感器檢測浮子位移時，必須同時消除霍爾靈敏度系數變化的影響。為此，在流量計的轉換器中對應浮子位移范圍中間位置處放置2個特性一致的霍爾傳感器，2個霍爾傳感器的磁敏感面互成90°。霍爾傳感器的輸出電壓由下式確定
E1＝K1I1B1sinθ，
E2＝K2I2B2sin（90°－θ），
式中K1，K2為霍爾靈敏度系數，V/（A?T）；I1，I2為霍爾元件的激勵電流，A；B1，B2為霍爾傳感器所處位置的磁感應強度，T；θ為磁力線相對于霍爾傳感器的磁敏感面的傾斜角。因為2個霍爾傳感器選用特性一致的同一型號霍爾傳感器，采用同一激勵電流，處于同一高度位置，所以，有K1＝K2，I1＝I2，B1＝B2。可得
E1/E2＝sinθ/sin（90o－θ）＝sinθ/cosθ＝tgθ，
θ＝arctg（E1/E2）。
可見，由E1，E2可求出磁力線的傾斜角度，求出傾斜角θ就可以得到浮子的位移。
3 單片機應用系統
單片機應用系統[2]的原理框圖如圖2所示。線性霍爾傳感器將浮子位移轉換成電壓信號，由放大器放大后經ADC轉換成數字量，由16位MCU進行運算處理和非線性修正后求得流量值，一方面送LCD顯示器顯示；另一方面送入DAC轉換成模擬量，再經輸出轉換電路轉換成4～20mADC標準電流信號輸出。另外，還可通過串行通信接口RS-485與各種處理設備進行數據交換。
4 測試結果
在常溫下以水作為標定介質，采用容積法對流量計樣品進行了測試，結果如表1。
表1 流量計測試結果
標稱值
（L/h） | 實測流量（L/h） |
正 | 反 | 正 | 反 | 正 | 反 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
70 | 70.356 | 68.964 | 69.500 | 71.421 | 69.156 | 68.0058 |
200 | 194.532 | 196.008 | 195.978 | 196.796 | 195.496 | 194.135 |
400 | 396.765 | 404.824 | 398.002 | 403.945 | 397.215 | 402.563 |
600 | 592.895 | 594.002 | 593.238 | 595.112 | 593.596 | 596.778 |
700 | 695.016 | 696.456 | 697.116 | 695.256 | 694.338 | 699.738 |
流量計每個流量點的示值誤差為
γi＝[（Qi－Qsi）/Qmax]×99%，
式中γi為流量計第i個校驗點的基本誤差；Qi為流量計第i個校驗點的示值流量，L/h；Qsi為流量計第i個校驗點在同行程n次校驗中實測流量的算術平均值，L/h；Qmax為流量計測量范圍的上限值，L/h。所有流量點中示值誤差的值即為該流量計的示值誤差，計算結果為0.97%。
流量計每個流量點的回差為
△i＝[（Qfi－Qri）/Qmax]×99%，
式中△i為流量計第i個校驗點的回差；Qfi為流量計第i個校驗點在正行程n次校驗中實測流量的算術平均值，L/h;Qri為流量計第i個校驗點在反行程n次校驗中實測流量的算術平均值，L/h。所有流量點中回差的值即為該流量計的回差，計算結果為0.92%。
流量計每個流量點的重復性為
式中σi為流量計第i個校驗點的重復性均方根誤差；Qij為流量計第i個校驗點同行程第j次校驗的實測流量，L/h；n為每個校驗點正、反行程的校驗次數。所有流量點中重復性均方根誤差的值，即為該流量計的重復性，計算結果為0.33%。
采用磁鋼耦合的流量計的示值誤差、回差和重復性分別為2.0%，2.0%和0.75%。
5 結束語
由于采用霍爾傳感器進行位移檢測，使流量計的轉換器不需要任何可動的機械零件，消除了機械零件之間摩擦力和傳動誤差，實現了流量計轉換器的全電子化和小型化；同時，采用16讓單片機進行線性修正和運算，從而使流量計的準確度、回差和重復性等主要指標得到了明顯提高。
由以上分析可見，霍爾傳感器在流量計中的應用，使流量計實現了電子化、小型化、數字化和智能化，提高了流量計的性能，增加了流量計的功能，并使得開發現場總線型的流量計成為可能。
參考文獻：
[1] 馬西秦，許振忠. 自動檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2001.115－124.
[2] 王福瑞. 單片機測控系統設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.100－270．
