CN1793788A - 基于比例式电容测角原理的数字金属浮子流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字金属浮子流量计，采用比例式电容测角原理的转换器，包括浮子流量传感器、转换器、智能信号处理器三部分。浮子流量传感器包括锥管和设置在锥管内的带有内磁钢的浮子；转换器包括设置在锥管外的机械连杆，转轴和带有敏感元件的电容角位移传感器，其中，机械连杆的靠近锥管的一端带有外磁钢，另一端设置有平衡块，转轴为机械连杆的转动基点；智能信号处理器包括选择单元、激励源、电荷检测电路、智能部件，本发明的流量计的突出特性是具有超低温漂、具有较好线性度和灵敏度、鲁棒性好。

Description

基于比例式电容测角原理的数字金属浮子流量计

技术领域

本发明属于流量计技术领域，具体而言，涉及一种数字式的金属浮子流量计。

背景技术

传统的金属浮子流量计属于纯机械式，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传输。随着电子技术的进步，材料科学、计算机技术的发展，出现了电容式角位移式金属浮子流量计，其原理是将浮子直线位移的变化转换为外部连杆角度的变化，而角度的变化又转化为电容值的变化，即通过检测电容来测量浮子的位置，最终获得流量。

目前金属浮子流量计实际设计过程中主要采用凸轮板机械结构进行流量计算，由此而引出了三方面的不足，首先，理论上存在一定缺陷；其次，是机械结构无法进行流量的精确计量；第三，必须根据被测介质的密度、工况条件及流量范围进行逐台设计制造，给生产厂和使用部门带来不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述金属浮子流量计的缺点，提供一种超低温漂、具有较好线性度和灵敏度、鲁棒性好的金属浮子流量计。

本发明是通过下述的技术方案实现的：

本发明是一种基于比例式测角原理的数字金属浮子流量计，包括浮子流量传感器、转换器、智能信号处理器三部分，其中，

浮子流量传感器包括锥管和设置在锥管内的带有内磁钢的浮子；

转换器包括设置在锥管外的机械连杆，转轴和带有敏感元件的电容角位移传感器，其中，机械连杆的靠近锥管的一端带有外磁钢，另一端设置有平衡块，转轴为机械连杆的转动基点；敏感元件包括同轴平行地套设在转轴上的接收极板、发射极板、转动极板，其中转动极板位于中间，与转轴固定连接，与发射极板和接收极板的间隙均小于0.5mm；发射极板分成8等分，每瓣角度为45°，对顶角电气相连，共计A、B、C、D四个单元组，转动极板由对顶角90°的两瓣金属极板构成，接收极板上设置有接受感生电荷的有效测量部件(H)；

智能信号处理器包括选择单元、激励源、电荷检测电路、智能部件，选择单元根据智能部件输出的激励模式，选通所要激励的发射极板的单元组，控制激励源对发射极板的充放电时间，电荷检测电路的输入端与有效测量部件(H)相连，输出端与智能部件相连接。

作为优选方案，转轴与转动极板由相同的具有低膨胀特性的金属材质构成，两者之间设置有绝缘套和绝缘垫。

作为进一步的优选方案，在接收极板、发射极板、转动极板之中，转动极板半径最大，发射极板有效面半径次之，接收极板有效面半径最小。有效测量部件H为中央圆环，发射极板上也设置有中央圆环，其半径大于接收极板上作为有效测量部件H的中央圆环的半径；发射极板和接收极板的相背面，以及两者相对面的上述的两个中央圆环内外侧均设置有接地保护环E。

测量部件与发射极板和接收极板之间设置用以实现电气连接的6组金属插针，6组插针包括发射极板的4组分瓣单元A，B，C，D的激励信号引线、接收极板上的有效测量部件H的引线以及发射极板和接收极板上的接地保护环E的公共引线。

本发明中，作为敏感元件的发射极板和接收极板均为温度特性良好的光铜覆沉金材质的PCB板制作而成，且其表面无附加氧化层；转动极板材质为具有低膨胀特性的金属材料；为保证膨胀特性的一致性，转轴材料的选择与转动极板完全相同；在空间位置上，转动极板位于发射极板和接收极板之间，彼此间隙为0.5mm以下，三者严格同轴平行安装；在电气设计上，转动的金属极板采取电气悬空设计思想，即与电子线路的信号“地”无任何“触点”连接，且通过绝缘套和绝缘垫与转轴电气隔绝；按照特殊编码激励模式，推导角度计算公式和角度象限判断准则。

上述的设计具有显著的优点：根据双极电平信号激励模式的四种组合，依次对发射极板的分瓣单元进行激励，转动角度计算的数学方法与接收电荷及激励模式相关，仅适用于转动极板为金属材质，且无电刷设计的具体条件，最终结果仅与“面积比”成比例，而与激励电压幅值(只需在瞬间测量序列内保持常量)、A/D转换的参考电压、系统增益误差、偏移误差等无关。此种测量方法所采用的原理是基于比例式电容测角原理，这种测量方法与传统的差动式电容角位移传感器相比，具有更好的鲁棒性，差动式测量原理见图9，利用一曲线(如曲线O)减去另一曲线(如曲线E)，获得新的曲线F，利用这条差动原理的曲线仅仅使灵敏度提高一倍，非线性得到改进。

除了上述优点，本发明还具有下列突出特点：(1)不存在任何机械损，使用寿命延长；(2)光铜覆沉金材质以及低膨胀合金材质的选用，使得传感器的温漂指标进一步降低，保障实现系统超低温漂的设计目的。

附图说明

图1本发明的金属浮子流量计的结构原理图

图2电容角位移传感器机械结构图

图3本发明的敏感元件图

图4本发明的电气系统原理框图

图5智能部件原理图

图64~20mA模块原理图

图7LCD模块原理图

图8小键盘模块原理图

图9JTAG接口原理图

图10电容器的差动测量原理

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述：

本发明的金属浮子流量计由浮子流量传感器、转换器、智能信号处理器构成，其结构原理图见图1。浮子流量传感器包括锥管和设置在锥管内的带有内磁钢的浮子，转换器为一端嵌有外磁钢21的机械连杆22和电容角位移式传感器23组成，智能信号处理器由单片机及外围电路组成。浮子放于垂直的锥管25中，随着流体速度的变化而上下移动。浮子26受重力、浮力、迎流压差阻力及粘性应力的作用，当浮子26在垂直方向上合力为零时达到平衡状态，浮子26处于某一稳定的位置。浮子26内嵌磁钢27，当浮子26上下移动时，内磁钢26同时上下移动，与锥管25外一端嵌有外磁钢21的机械连杆22形成内外磁钢磁路耦合，内磁钢的运动将引起外磁钢的位移，从而引起连杆22转动。机械连杆22的另一端设置有平衡块24，能够以转轴11为基点转动。

电容角位移传感器23的机械构造见图2。包括：外罩1、本体8、发射极板6、接收极板5、转动极板7、转轴11、轴承12与13等关键部件；同时还包括压紧螺母2、垫圈3与10、绝缘垫6、顶丝9、固定螺丝14、定位销15、绝缘套16、绝缘垫17和螺母18等附属零件；其中关键装配环节是接收极板5、发射极板6、转动极板7的平行、同轴、同心安装，保证彼此互不摩擦且间隙尽量小；转动极板7固定装配在转轴11上，两者均为低膨胀特性的金属材质，但依靠绝缘套16和绝缘垫17实现彼此绝缘；通过双轴承12和13支撑转轴11，防止其倾斜，同时为节省空间采取在中间点支撑的方式，轴承12和13采用间隙小、灵敏度高、耐磨损、低膨胀的精密微型陶瓷轴承；接收极板5与发射极板6通过绝缘垫4与金属外罩隔绝，其间隙通过垫圈3保障，并通过压紧螺母2将其紧锢；通过螺母18压紧绝缘垫17，从而紧锢转动极板7。

该传感器的电气部分安装在敏感元件上方的电子组合件19内，涵盖全部的测量电路、智能部件以及接口部件；接收极板5与发射极板6通过6组共计12个金属插针实现与电子组合件19的电气连接，此6组插针均匀分布在敏感元件的圆周上。参照附图2，6组插针包括发射极板的4组分瓣单元A，B，C，D的激励信号线、接收极板上感生电荷的测量部件H的引线以及两极板上的屏蔽电磁干扰作用的接地保护线E。

敏感元件拓扑结构可实现测量范围为180°；转动极板7为对顶角90°的两个扇形单元构成；发射极板6外形为圆形，内外侧设计有接地保护环E，中央圆环部分，即作为被测电容的激励端，在结构设计上将其分割为8等分，每对顶角两瓣采用过孔连线方式相连，即在电气上分为A、B、C、D共4个组成部分；圆形接收极板用于收集感生电荷，其上的中央圆环为有效感应面积，作为感应电荷有效测量部件H，中央圆环的内外侧同样设计有接地保护环E。为提高电磁兼容性和减小电场的边缘效应，发射极板6上也设置有中央圆环，其半径应大于接收极板5的中央圆环的半径，同时，确保转动极板5的半径最大。

图4为电气系统原理图，包括敏感元件、测量部件、智能部件、接口部件；智能部件选用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149。该单片机拥有包括A/D、硬件乘法器在内的丰富的外围模块，是硬件功能实现的核心部件，从根本上保障了低功耗设计，其主要工作模块包括I/O模块、A/D模块、滤波模块、计算模块；由I/O模块输出某种激励模式给选择单元，即信号S1、S2、S3、S4；选择单元根据激励信号S1、S2、S3、S4高低电平的变化决定是否选中发射极板6上的A、B、C、D子单元，若被选中，则由激励源对其施加频率为640KHz的激励；与此同时，在接收极板5上形成感生电荷，其大小由电荷检测电路进行测量，且该电路的输出电压与被测电容值成正比，本发明采用的是一种基于比例式电容测角原理的转换器。上述的电压信号接入智能部件的A/D采样单元进行采样，经滤波模块滤波后，进入计算模块，完成对转动极板7的旋转角度的计算。

本实施例中，激励模式共有L1、L2、L3、L4四组，时序由单片机的定时器Timer A定时中断产生，定时中断为1ms，分别经所述智能部件的4路I/O输出，用以选通发射极板A~D四对中的两对；高电平选通，低电平截止；当为L1模式时，A、B选通，C、D截止；L2模式时，C、D选通，A、B截止；L3模式时，A、D选通，C、B截止；L4模式时，C、B选通，A、D截止；L1~L4激励模式下，A/D采样值分别为m1，m2，m3，m4。角度的计算公式基于此4组采样值分析计算得到。

设M₁＝m1-m2；M₂＝m3-m4，θ1是转动极板分别在1，2，3，4象限内相对于各自的0°线所转过的角度。因此相对于全局“0°”线，转过的角度应为：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{8}\·\frac{M_1-M_2\·\mathrm{sign}\left(M_1{M}_2\right)}{M_1\·\mathrm{sign}\left(M_2{M}_1\right)+M_2}+\mathrm{\Δ\θ}$

其中，Δθ值下表判断。

象限	1	2	3	4
					判断标准	M1≥0，M2＜0	M1＜0，M2≤0	M1≤0，M2＞0	M1＞0，M2≥0
偏移角Δθ	π/8	3π/8	5π/8	7π/8
					θ1*8/π	(+M1+M2)/(-M1+M2)	(+M1-M2)/(M1+M2)	(+M1+M2)/(-M1+M2)	(+M1-M2)/(+M1+M2)

本发明中，由于敏感元件的电容值非常小，极板转动时，引起电容的变化仅有几pF，所以对微小电容变化量的检测是关键，否则电路中的分布电容和杂散电容会将有用信号淹没。利用S.M.HUANG的基于充放电原理的微小电容检测电路消除电路中的杂散电容和分布电容，利用微分方程的数值解法实现针对具体被测电容的电路网络参数的优化设计。

参考图5~图9，在本发明的智能部件利用了超低功耗单片机MSP430F149，与外围电路模块的接口设计分别为：4路激励模式控制输出端口S1、S2、S3、S4；一路AD-IN信号采样输入端口；驱动LCD的输出接口P0~P17；与AM402的接口；K1~K3小键盘接口；JTAG接口TDO、TDI、TMS、TSK；

单片机内部的定时器B用于实现PWM脉冲宽度调制信号输出，该信号与二阶无源滤波器连接，由R3、C6与RW2、C7构成，其输出信号与电压-电流(V-I)转换模块连接；V-I转换模块由AM402及其外围电路构成，包括电阻R4、R5、R6、R7、R8、电位器RW1、三极管Q1和二极管D2，最终将PWM信号转换为4~20mA工业标准信号输出；AM402管脚16输出电压为5V，通过π型滤波器(电感L2、电容C8、C9)与芯片AAT3221管脚1相连；AAT3221为降压芯片，输出3.3V电压，该电压作为MSP430F149的供电电源，其外围电路包括所述的π型滤波器和电阻R9。

交变可编程输出功能是通过用于人机交互的键盘设定的，并由程序控制实现的；具体分为两种模式，其一为标准模式、其二为随机模式；所述的标准模式含义为输入角度量程范围在0~45°；0~90°；0~180°时，均可对应输出4~20mA标准信号，根据需求利用键盘选择某一范围；所述的随机模式为对于不确定的静态工作点，例如始动角度为任意值，工作范围不定，则可现场在线标定具体的使用量程，通过键盘确定最大与最小测量角度，给出与现场条件相吻合的4~20mA标准输出信号，即达到交变可编程输出信号的目的。

参考图5，微处理器MSP430的A/D模块是12位精度，容易受干扰。传感器电气系统内既有A/D模拟信号，又有I/O控制信号输出等数字信号，故在本传感器中对电源和地分为两类——即数字式和模拟式：电源包含模拟电源AVCC和数字电源DVCC；地包含模拟地GND和数字地DVSS，两者分别通过零欧姆和磁珠相连，这样既可保证两者电位相同，又可以有效的抑制数字量对模拟量的干扰，有利于提高A/D采样精度。

需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims (7)

1、一种基于比例式电容测角原理的数字金属浮子流量计，包括浮子流量传感器、转换器、智能信号处理器三部分，其特征在于，

所述传感器包括锥管和设置在锥管内的带有内磁钢的浮子；

所述转换器包括设置在锥管外的机械连杆，转轴和带有敏感元件的电容角位移传感器，其中，

机械连杆的靠近锥管的一端带有外磁钢，另一端设置有平衡块，以转轴为机械连杆的转动基点；

敏感元件包括同轴平行地套设在转轴上的接收极板、发射极板、转动极板，其中转动极板位于中间，与转轴固定连接，与发射极板和接收极板的间隙均小于0.5mm；发射极板分成8等分，每瓣角度为45°，对顶角电气相连，共计A、B、C、D四个单元组，转动极板由对顶角90°的两瓣金属极板构成，接收极板上设置有接受感生电荷的有效测量部件(H)；

所述智能信号处理器包括选择单元、激励源、电荷检测电路、智能部件、接口部件，选择单元根据智能部件输出的激励模式，选通所要激励的发射极板的单元组，控制激励源对发射极板的充放电时间，电荷检测电路的输入端与有效测量部件(H)相连，输出端与智能部件相连接，智能部件还与接口部件相连接。

2、根据权利要求1所述的金属浮子流量计，其特征在于，在所述的接收极板、发射极板、转动极板之中，转动极板半径最大，发射极板有效面半径次之，接收极板有效面半径最小。

3、根据权利要求1或2所述的金属浮子流量计，其特征在于，所述的有效测量部件(H)为中央圆环，发射极板上也设置有中央圆环，其半径大于接收极板上作为有效测量部件(H)的中央圆环的半径；发射极板和接收极板的相背面，以及两者相对面的上述的两个中央圆环内外侧均设置有接地保护环(E)。

4、根据权利要求1所述的金属浮子流量计，其特征在于所述转轴与所述转动极板由相同的具有低膨胀特性的金属材质构成，两者之间设置绝缘套和绝缘垫。

5、根据权利要求1或2所述的金属浮子流量计，其特征在于所述发射极板和所述接收极板均为光铜覆沉金材质的PCB板。

6、根据权利要求1所述的金属浮子流量计，其特征在于所述测量部件与所述发射极板和所述接收极板之间设置用以实现电气连接的6组金属插针，6组插针包括所述发射极板的4组分瓣单元A，B，C，D的激励信号引线、所述接收极板上的有效测量部件(H)的引线以及所述发射极板和所述接收极板上的接地保护环(E)的引线。

7、根据权利要求1所述的金属浮子流量计，其特征在于所述接口部件包括显示单元、输出单元和输入单元，由输出单元将来自智能部件的角度信息的数字信号转换为4-20mA标准模拟信号。

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