高可靠微結(jié)構(gòu)液體流量傳感器設(shè)計

蔡春麗， 簡榮坤, 李 濤

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

隨著我國航空工業(yè)自動化、智能化、小型化的快速推進(jìn)和完善，對流體測量的精準(zhǔn)性、小型化要求也愈發(fā)提高。而流體自身狀態(tài)的復(fù)雜性、環(huán)境的多變性，決定了流體測量的難度更大、要求更高。

目前航空領(lǐng)域液體流量測量的產(chǎn)品主要基于渦輪原理和壓差原理，而渦輪流量計相對來講具有更好的重復(fù)性、更寬量程范圍、更高精度等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)重要工程型號應(yīng)用的渦輪流量傳感器大多是進(jìn)口器件，產(chǎn)品重復(fù)性好，精度高。而國產(chǎn)流量計尺寸偏大、分辨率較低、耐惡劣環(huán)境能力差，且可選產(chǎn)品多為標(biāo)件口徑Φ6,Φ10,Φ15等尺寸。根據(jù)應(yīng)用工程需求的渦輪流量傳感器，其口徑Φ9.5，測量范圍1.677～30 L/min,溫度范圍-20～100 ℃，精度小于1 %FS。國產(chǎn)現(xiàn)無符合的產(chǎn)品，精度不大于1 %FS且口徑接近的有LGW—10系列產(chǎn)品，其產(chǎn)品口徑Φ10，殼體材質(zhì)為不銹鋼，測量范圍為1.677～10 L/min，外形尺寸約為100 mm×12 mm×124 mm，且抗噪聲、電場、磁場等環(huán)境干擾能力弱，無法滿足工程型號可靠、精準(zhǔn)、小巧、輕量的應(yīng)用需求。

針對上述情況，本文對渦輪流量測量特性進(jìn)行研究，確定影響流量測量性能的相關(guān)參數(shù)，依據(jù)參數(shù)關(guān)系，從結(jié)構(gòu)、電路、軟件等方面開展工作，設(shè)計出一種新的小體積、寬量程、高可靠的渦輪流量傳感器。

1 液體流量測量特性分析

由渦輪流量計的原理可知，一定條件下，被測流體體積流量和葉輪轉(zhuǎn)動頻率成線性關(guān)系，即

f=KqV

(1)

式中f為葉輪產(chǎn)生的頻率，K為儀表系數(shù)，qV為流體流量。

理想狀態(tài)下，K為恒定的，但實際測量時，K值隨著被測流體流量的變化而變化。因此準(zhǔn)確捕獲到K值是提高傳感器性能的關(guān)鍵，而考核K值的優(yōu)劣性指標(biāo)是其線性度誤差。

分析現(xiàn)有成果[1～3]，提煉出渦輪流量傳感器簡化數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中β為葉片安裝角，A為流通截面積，N為葉片數(shù)量，Tb為軸承摩擦阻力矩，Tw為輪轂端面粘性摩擦阻力矩，Th為輪轂表面粘性摩擦阻力矩，Tt頂端間隙粘性摩擦阻力矩，Tm為磁電摩擦阻力矩。當(dāng)葉輪處于勻速轉(zhuǎn)動這種理想的平衡情況，且所有摩擦阻力矩均可以忽略時，式(2)可以化簡為

(3)

由式(3)可知，如果所有摩擦阻力矩小到可以忽略時，即在理想狀態(tài)下，渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)僅和產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)與流體流量無關(guān)。

綜合分析傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，對葉片安裝角及葉輪頂端間隙等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行影響分析[4～7]。以儀表系數(shù)的線性度誤差和壓損為考核點，通過在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上，加大和減小參數(shù)值的方式，發(fā)現(xiàn)安裝角增大，儀表系數(shù)的非線性誤差會增大，但壓損會減??；葉輪頂端間隙增大，儀表系數(shù)的非線性誤差會減小，但壓損會增大。

而實際上，傳感器儀表系數(shù)并非與流體流量無關(guān)[8～10]，通過仿真及實體測量，傳感器的流量特性曲線如圖1所示。在傳感器工作的初始階段，會呈現(xiàn)出一個類似“駝峰”狀的非線性區(qū)域，后面才是平緩的線性區(qū)域。要想獲取很高的測量精度和良好的重復(fù)性，需要盡可能降低傳感器的線性度誤差。

圖1 傳感器流量特性曲線

在非空載狀態(tài)下，葉輪需要克服與軸承之間的靜阻力矩Tb后才能由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)動狀態(tài)，克服扭矩的最小流量值即始動流量qVmin，即當(dāng)傳感器測量小于該流量值的流體時，葉輪不轉(zhuǎn)動。當(dāng)流量達(dá)到始動流量時，葉輪開始轉(zhuǎn)動，但其旋轉(zhuǎn)角速度很小，流體因素帶來的摩擦阻力矩Tw,Th,Tt近似為0，葉輪開始轉(zhuǎn)動時，輸出信號為0，脈沖頻率}， 即

(4)

整理后可得

(5)

(6)

由式(6)可知始動流量值qVmin很大程度上取決于軸承摩擦阻力矩Tb和安裝角β。Tb越小，qVmin越??；β越大，qVmin越小。qVmin值越小代表傳感器對測量流體越敏感，傳感器的測量性能越好。

2 微結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合產(chǎn)品特性分析，要提高傳感器性能，并要保障體積最小化，關(guān)鍵一點是要優(yōu)化配置產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)，確定敏感部件關(guān)鍵參數(shù)，極大限度降低線性度誤差，并獲取最小的始動流量。在結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化配置中，以流場特性和測量性能為考核點。產(chǎn)品流場特性體現(xiàn)在壓損上，測量性能體現(xiàn)在儀表系數(shù)的線性度誤差上。結(jié)合產(chǎn)品實際工況，進(jìn)行建模，產(chǎn)品葉輪和導(dǎo)流器模型如圖2所示。模型葉輪采用雙向鋼材質(zhì)，葉輪前導(dǎo)、后導(dǎo)、軸承管路、鎖緊環(huán)均為鈦合金材質(zhì)。這種材質(zhì)在保證產(chǎn)品鋼度的同時又可實現(xiàn)減重效果。

圖2 葉輪和導(dǎo)流器模型

用瞬態(tài)仿真的方法對不同輪轂間隙、輪轂長度、葉片厚度、葉片安裝角的傳感器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析，并從儀表系數(shù)和壓損的角度分析其優(yōu)劣性，限于結(jié)構(gòu)參數(shù)間的相互制約關(guān)系，通過反復(fù)試驗，優(yōu)化配置，確定渦輪組件關(guān)鍵參數(shù)，最大限度提高產(chǎn)品的分辨力及性能。最終確定管路尺寸為Φ9.5 mm，優(yōu)化后的線性度誤差為0.267 %，重復(fù)性誤差0.089 %，確認(rèn)的產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

鑒于航空領(lǐng)域復(fù)雜而嚴(yán)苛的電磁環(huán)境，局限于產(chǎn)品的體積與重量，產(chǎn)品總體采用一體化雙腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計，腔室內(nèi)進(jìn)行磁屏蔽設(shè)計，螺紋安裝。這種結(jié)構(gòu)可有效屏蔽電磁輻射等外界電磁環(huán)境干擾，大大提高產(chǎn)品的可靠性。產(chǎn)品尺寸不大于70 mm×18 mm×88 mm，重量小于135.5 g，外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩腔室結(jié)構(gòu)

3 微信號調(diào)理電路設(shè)計

結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了產(chǎn)品性能的優(yōu)化，還需要電路上來配合，以電信號的形式直觀的呈現(xiàn)。渦輪工作發(fā)出的信號是微弱的，量程越小分辨力越差，且電場、磁場、噪聲等環(huán)境會產(chǎn)生干擾。尤其是電磁場干擾，為了準(zhǔn)確采集到頻率信號，提高產(chǎn)品的抗電磁干擾能力，有針對性地設(shè)計了信號放大電路、脈沖調(diào)整電路、比較電路、濾波電路和信號轉(zhuǎn)換電路，尤其是濾波電路，從電源端、地端、信號傳遞、轉(zhuǎn)換及信號輸出等干擾源可能侵入的方面進(jìn)行了考量，有效濾除電磁傳導(dǎo)帶來的干擾。微信號采集調(diào)理電路原理如圖4所示。

圖4 微信號調(diào)理電路原理

產(chǎn)品電磁干擾測試情況如圖5所示。

圖5 CS114電磁干擾測試曲線

由測試結(jié)果表明：傳感器可耐受電磁兼容傳導(dǎo)敏感性CS114試驗曲線五電磁環(huán)境，而普通的傳感器產(chǎn)品僅能承受曲線二電磁干擾，有效提高了傳感器的可靠性和抗干擾性。

4 軟件分析算法設(shè)計

為了最大限度簡化硬件設(shè)計，縮小尺寸、減少重量，通過軟件算法來進(jìn)一步提高產(chǎn)品的精度。即在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中進(jìn)行正返行程標(biāo)定，在標(biāo)定點取得相應(yīng)的頻率值，并按理論分析映射出相應(yīng)DAC值。應(yīng)用Origin仿真軟件，將頻率值和DAC值應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行擬合分析，得出曲線方程。將方程寫入軟件程序指定位置，并在程序中設(shè)置好相關(guān)函數(shù)系數(shù)變量，給出變量求解算法，實現(xiàn)函數(shù)系數(shù)的自動修正，應(yīng)用下載器將程序載入單片機(jī)即完成產(chǎn)品的標(biāo)定。即標(biāo)定時只需輸入標(biāo)準(zhǔn)流量值及其對應(yīng)的傳感器信號輸出值，便可完成產(chǎn)品的算法修正。

5 測試與結(jié)果分析

在實驗室條件下，制作一工裝夾具，將傳感器產(chǎn)品安裝在測試系統(tǒng)中，確保其前后端直管路長度與管路直徑的比例關(guān)系，以便保證測試時流經(jīng)傳感器渦輪的流體處于平流狀態(tài)。工裝進(jìn)口端直管路長度為120 mm，出口端直管路長度為100 mm。測試系統(tǒng)工作框圖如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)工作框圖

系統(tǒng)搭建好后，對傳感器產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定。以2101#產(chǎn)品為例，在0～30 L/min范圍內(nèi)選取8個點進(jìn)行正反行程標(biāo)定，確定產(chǎn)品在各流量點處的頻率值，并按理論分析映射出相應(yīng)DAC值。標(biāo)定原始數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 標(biāo)定數(shù)據(jù)

依據(jù)表2標(biāo)定數(shù)據(jù)，應(yīng)用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得出曲線方程如下

y=0.000 6x2+4.090x+829.6

(7)

通過下載器，將擬合好的特征方程寫入單片機(jī)程序中。對產(chǎn)品重新加電進(jìn)行檢測，得到測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測試數(shù)據(jù)

由表中測試數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)品最大測量誤差為0.274 L/min，換算精度為0.91 %FS。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種小體積、高可靠的液體渦輪流量傳感器，解決了現(xiàn)有寬量程流量測量過程中噪聲、電場、磁場等環(huán)境因素影響大、精度低、穩(wěn)定性差等問題，實現(xiàn)了0～30 L/min液體流量的瞬態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)測。實驗結(jié)果表明：傳感器體積小,為70 mm×18 mm×88 mm;測量精度高,為0.91 %FS；啟動流量低,為1.677 L/min；其抗干擾能力強(qiáng)，長時間運行穩(wěn)定可靠，適用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域環(huán)境惡劣場所應(yīng)用。