0 引言
在工业生产和科研测量中，经常遇到小流量、低雷诺数的流量测量。转子流量计由于具有灵敏度高、测量范围宽、压力损失较小且恒定、测量介质种类多、工作可靠、维护简便、对仪表前直管段要求不高等优点，已被广泛应用。
转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。由于流量计的浮子位移不能直接读出，所以，将磁钢封入浮子内，由设在转换器内的磁耦合机构得到浮子位移，并由位移传感器将与流量对应的浮子位移转换成电信号远传输出。目前，常用的位移传感器有两种：差动变压器式传感器和电容式角位移传感器；但是，使用两种位移传感器要获得与流量对应的位移信号，需要通过磁钢耦合以及相应的四连杆、凸轮等机械机构进行非线性修正和传动来实现，无法实现流量计的转换器全电子化、小型化、智能化。为此，推出了采用霍尔传感器检测浮子位移的新型流量计。
1 系统构成原理
该流量计采用线性霍尔传感器检测浮子位移，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所示。
当被测流体自下而上流过锥管时，浮子产生位移，通过线性霍尔传感器的磁力线角度就会发生变化，从而使霍尔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。
2 霍尔传感器检测浮子位移的基本原理
因为封入浮子中的磁钢的磁感应强度随着被测介质温度的变化而变化，长期使用后，还会产生退磁。因此，采用霍尔传感器[1]检测浮子位移时，必须消除磁钢磁感应强度变化的影响。另外，霍尔传感器的霍尔灵敏度系数也会随着温度的变化而变化，采用霍尔传感器检测浮子位移时，必须同时消除霍尔灵敏度系数变化的影响。为此，在流量计的转换器中对应浮子位移范围中间位置处放置2个特性一致的霍尔传感器，2个霍尔传感器的磁敏感面互成90°。霍尔传感器的输出电压由下式确定
E1＝K1I1B1sinθ，
E2＝K2I2B2sin（90°－θ），
式中K1，K2为霍尔灵敏度系数，V/（A·T）；I1，I2为霍尔元件的激励电流，A；B1，B2为霍尔传感器所处位置的磁感应强度，T；θ为磁力线相对于霍尔传感器的磁敏感面的倾斜角。因为2个霍尔传感器选用特性一致的同一型号霍尔传感器，采用同一激励电流，处于同一高度位置，所以，有K1＝K2，I1＝I2，B1＝B2。可得
E1/E2＝sinθ/sin（90o－θ）＝sinθ/cosθ＝tgθ，
θ＝arctg（E1/E2）。
可见，由E1，E2可求出磁力线的倾斜角度，求出倾斜角θ就可以得到浮子的位移。
3 单片机应用系统
单片机应用系统[2]的原理框图如图2所示。线性霍尔传感器将浮子位移转换成电压信号，由放大器放大后经ADC转换成数字量，由16位MCU进行运算处理和非线性修正后求得流量值，一方面送LCD显示器显示；另一方面送入DAC转换成模拟量，再经输出转换电路转换成4～20mADC标准电流信号输出。另外，还可通过串行通信接口RS-485与各种处理设备进行数据交换。
4 测试结果
在常温下以水作为标定介质，采用容积法对流量计样品进行了测试，结果如表1。
表1 流量计测试结果
标称值
（L/h）
实测流量（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
流量计每个流量点的示值误差为
γi＝[（Qi－Qsi）/Qmax]×100%，
式中γi为流量计第i个校验点的基本误差；Qi为流量计第i个校验点的示值流量，L/h；Qsi为流量计第i个校验点在同行程n次校验中实测流量的算术平均值，L/h；Qmax为流量计测量范围的上限值，L/h。所有流量点中示值误差的最大值即为该流量计的示值误差，计算结果为0.97%。
流量计每个流量点的回差为
△i＝[（Qfi－Qri）/Qmax]×100%，
式中△i为流量计第i个校验点的回差；Qfi为流量计第i个校验点在正行程n次校验中实测流量的算术平均值，L/h;Qri为流量计第i个校验点在反行程n次校验中实测流量的算术平均值，L/h。所有流量点中回差的最大值即为该流量计的回差，计算结果为0.92%。
流量计每个流量点的重复性为
式中σi为流量计第i个校验点的重复性均方根误差；Qij为流量计第i个校验点同行程第j次校验的实测流量，L/h；n为每个校验点正、反行程的校验次数。所有流量点中重复性均方根误差的最大值，即为该流量计的重复性，计算结果为0.33%。
采用磁钢耦合的流量计的示值误差、回差和重复性分别为2.0%，2.0%和0.75%。
5 结束语
由于采用霍尔传感器进行位移检测，使流量计的转换器不需要任何可动的机械零件，消除了机械零件之间摩擦力和传动误差，实现了流量计转换器的全电子化和小型化；同时，采用16让单片机进行线性修正和运算，从而使流量计的准确度、回差和重复性等主要指标得到了明显提高。
由以上分析可见，霍尔传感器在流量计中的应用，使流量计实现了电子化、小型化、数字化和智能化，提高了流量计的性能，增加了流量计的功能，并使得开发现场总线型的流量计成为可能。
参考文献：
[1] 马西秦，许振忠. 自动检测技术[M].北京：机械工业出版社，2001.115－124.
[2] 王福瑞. 单片机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.100－270．
