介紹了一種利用磁阻傳感器對(duì)浮子高度進(jìn)行檢測(cè)的新方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以 STM32 為核心微處理器的智能金屬管浮子流量計(jì)。 鑒于磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性，很難通過(guò)理論的方法得到傳感器輸出信號(hào)與浮子高度（或流量）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 分別采用擬合曲線(xiàn)法和分段線(xiàn)性修正法得到傳感器輸出與流量之間的關(guān)系表達(dá)式。 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，擬合曲線(xiàn)法測(cè)量精度優(yōu)于分段線(xiàn)性修正法。 此外為減小溫度漂移對(duì)磁阻傳感器輸出信號(hào)的影響，系統(tǒng)在流量修正前增加了溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

浮子流量計(jì)是以浮子在錐形管中隨流量變化而升降，改變它們之間的流通面積實(shí)現(xiàn)測(cè)量的體積流量?jī)x表， 又稱(chēng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)。浮子流量計(jì)按材質(zhì)還可以分為玻璃管浮子流量計(jì)、塑料管浮子流量計(jì)和金屬管浮子流量計(jì)。 傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計(jì)大都屬于純機(jī)械式，通過(guò)電磁感應(yīng)耦合和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針顯示或者遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)向遠(yuǎn)端輸出。 這種結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上提高了測(cè)量精度，但是也對(duì)機(jī)械加工的精度提出了更高的要求，且會(huì)因?yàn)闄C(jī)械磨損導(dǎo)致測(cè)量精度下降。 因此本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式測(cè)量的智能金屬管流量計(jì)，通過(guò)磁阻傳感器將浮子高度的變換轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至微處理器，利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和流量修正，提高了測(cè)量精度并延長(zhǎng)了儀表的使用壽命。

1.浮子流量計(jì)基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的非接觸式金屬管浮子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 被測(cè)流體從錐形管自下而上流動(dòng)時(shí)，浮子受到上升的升力，當(dāng)浮子受到的上升力與其所受的浮力之和大于浮子的重力時(shí)，浮子就會(huì)上升，當(dāng)浮子上升到一定高度時(shí)，浮子所受的力達(dá)到平衡，浮子最終將穩(wěn)定在某一特定高度。 浮子在錐形管中的高度與流體通過(guò)錐形管的流速(流量)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。 因此只需測(cè)得當(dāng)前浮子的高度即可得到流量值。

浮子在錐形管中的高度與流體通過(guò)錐形管的流速（流量）有對(duì)應(yīng)關(guān)系，但由于磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性，很難通過(guò)理論的方法得到浮子高度與磁阻傳感器輸出值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用擬合曲線(xiàn)法和分段線(xiàn)性修正法近似得出該對(duì)應(yīng)關(guān)系。

擬合曲線(xiàn)法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)， 得到傳感器的輸出值與當(dāng)前流速的關(guān)系表達(dá)式，因此只需獲得傳感器的輸出值，就可以算出當(dāng)前的流速。 分段線(xiàn)性修正法是將整個(gè)量程劃分為若干個(gè)段，每段采用不同的修正函數(shù)進(jìn)行流量修正。 本文以管道直徑為 80mm、流體類(lèi)型為液體的條件下進(jìn)行試驗(yàn)（如無(wú)特別說(shuō)明，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)條件均為此），此條件下的測(cè)量范圍為 2．5～25m3 ／ h。由于磁阻傳感器（KMY20）的輸出受溫度影響較大，因此需在流量修正前增加溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

2.測(cè)量方法

整個(gè)測(cè)量過(guò)程包括信號(hào)獲取、溫度補(bǔ)償、流量修正、LCD 液晶顯示等環(huán)節(jié)。

信號(hào)采集包括溫度傳感器輸出信號(hào)獲取和磁阻傳感器信號(hào)獲取，溫度傳感器的輸出信號(hào)通過(guò) SPI 方式傳送給微處理器，用于對(duì)磁阻傳感器的輸出做溫度補(bǔ)償， 磁阻傳感器的輸出信號(hào)將用于流量計(jì)算，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大處理后直接傳送至微處理器。圖 2 為磁阻傳感器輸出信號(hào)處理的硬件電路圖。包括電源模塊、差分放大模塊和電壓跟隨模塊。 電源模塊采用恒流源給 KMY20 磁阻傳感器供電，在一定程度上減小了溫漂對(duì)傳感器輸出的影響。 差分模塊完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)的放大處理， 電壓跟隨模塊減小了傳感器的輸出阻抗。從圖 2 可知，經(jīng)放大處理后，傳感器的輸出信號(hào)幅值為：

圖3是傳感器輸出信號(hào)與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)， 可見(jiàn)在一定范圍內(nèi)，傳感器輸出信號(hào)幅值與溫度成反比關(guān)系，可以得到：

從表 2～表 4 可知， 以階數(shù) n＝1 得到的擬合曲線(xiàn)計(jì)算流體流量，示值誤差最大在 2％以上，擬合效果不理想，而以階數(shù) n＝3

得到的擬合曲線(xiàn)計(jì)算流體流量時(shí)，示值誤差在 1％以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足測(cè)量要求，但由于擬合方程相對(duì)復(fù)雜，加大了算法的復(fù)雜度，使流量計(jì)算占用 CPU 時(shí)間變長(zhǎng)，降低了系統(tǒng)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。 所以本設(shè)計(jì)選擇 n＝2 時(shí)擬合得到的方程來(lái)計(jì)算流量，不僅滿(mǎn)足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，而且系統(tǒng)的測(cè)量精度也在 1％以?xún)?nèi)。

分段修正法將整個(gè)測(cè)量范圍分為 6～12 個(gè)段， 每段之間采用不同的線(xiàn)性方程進(jìn)行修正。 表 5 是采用分段線(xiàn)性法設(shè)計(jì)的浮子流量計(jì)所測(cè)流量與標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)流量的數(shù)據(jù)。

對(duì)比擬合曲線(xiàn)法（n＝2）和分段線(xiàn)性修正法的測(cè)量結(jié)果可以看出，擬合曲線(xiàn)法的示值誤差較分段線(xiàn)性修正法高，所以采用擬合曲線(xiàn)法更利于提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款高性能的智能型浮子流量計(jì)， 為保證測(cè)量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在流量計(jì)算前增加了溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，減少了溫度對(duì)傳感器輸出的影響。 分別采用了擬合曲線(xiàn)法和分段線(xiàn)性修正法進(jìn)行流量修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擬合曲線(xiàn)法的測(cè)量精度明顯優(yōu)于分段線(xiàn)性法。