磁阻式浮子位移测量技术的研究ppt课件

1、磁阻式浮子位移测量技术磁阻式浮子位移测量技术的研究的研究2019.1.21 目录目录课题背景和意义课题背景和意义一二纯固态式和半固态式传感器的研究与设计纯固态式和半固态式传感器的研究与设计三四五六半固态式传感器硬件系统的研究与设计半固态式传感器硬件系统的研究与设计半固态式传感器基于半固态式传感器基于C/OS-IIC/OS-II的研究与设计的研究与设计半固态式传感器的温度实验和实流实验研究半固态式传感器的温度实验和实流实验研究建议建议课题背景和意义课题背景和意义v浮子位移测量技术的研究现状浮子位移测量技术的研究现状v课题研究的主要内容和创新点课题研究的主要内容和创新点 浮子流量计的浮子位移与流量

2、之间存在明浮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确对应的函数关系，测出浮子位移即可确定流量大小。从对浮子位移的测量技术上可以分为量大小。从对浮子位移的测量技术上可以分为以下三种：以下三种：v非固态式纯机械式测量技术非固态式纯机械式测量技术v纯固态式纯固态式( (电子式电子式) )测量技术测量技术v半固态式机械电子混合式测量技术半固态式机械电子混合式测量技术浮子位移测量技术的研究现状浮子位移测量技术的研究现状非固态式纯机械式测量技术非固态式纯机械式测量技术当流体自下而上流当流体自下而上流过锥管过锥管1 1时，引起浮时，引起浮子子2 2产生位移，浮子产生位移，

3、浮子位移通过磁钢位移通过磁钢4 4、5 5的耦合传给平衡杆的耦合传给平衡杆6 6，经过凸轮经过凸轮7 7的非线性的非线性修正和调整件修正和调整件8 8的传的传动 ， 将 与 流 量动 ， 将 与 流 量对应的浮子位移转换成角位移后传递给转角变送器对应的浮子位移转换成角位移后传递给转角变送器9，转，转角变送器将角位移信号转换为与流量值线性对应的标准电角变送器将角位移信号转换为与流量值线性对应的标准电流信号输出远传。流信号输出远传。图图1 1 采用转角变送器的流量计工作原理采用转角变送器的流量计工作原理非固态式纯机械式测量技术非固态式纯机械式测量技术n代表产品代表产品n 德国德国KrohneKro

4、hne公司的公司的H27H27系列产品系列产品n优点优点n 测量精度比只用凸轮板进行修正的流量计有测量精度比只用凸轮板进行修正的流量计有所提高。所提高。n缺陷缺陷n凸轮板的加工需要根据不同测量介质进行，增凸轮板的加工需要根据不同测量介质进行，增加了机加工的复杂度，同时流量计量的精度也加了机加工的复杂度，同时流量计量的精度也受到了机械加工的限制。受到了机械加工的限制。n转角变送器基本为引进产品，尽管精度较高，转角变送器基本为引进产品，尽管精度较高，但是价格昂贵，仪表成本将大大增加。但是价格昂贵，仪表成本将大大增加。纯固态式电子式测量技术纯固态式电子式测量技术图图2 2 采用固态磁场传感器的流量计

5、工作原理采用固态磁场传感器的流量计工作原理 当被测流体自下当被测流体自下而上流过锥管时，浮而上流过锥管时，浮子产生位移，通过固子产生位移，通过固态磁场传感器直接检态磁场传感器直接检测浮子磁场的变化，测浮子磁场的变化，从而使传感器输出相从而使传感器输出相应电压。该输出电压应电压。该输出电压输入到单片机应用系输入到单片机应用系统进行处理后，可统进行处理后，可输出与流量对应的标准电流信号，也可通过标准通信接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。口进行数据远程交换。纯固态式电子式测量技术纯固态式电子式测量技术n代表产品代表产品n 英国英国PlatonPlaton公司的公司

6、的C2076C2076n优点优点n 采用固态传感器直接检测浮子磁场的变化，采用固态传感器直接检测浮子磁场的变化，全部取代了可动的机械部件，彻底消除了机械磨损带来全部取代了可动的机械部件，彻底消除了机械磨损带来的误差，实现了全电子化和小型化，大大降低了回差。的误差，实现了全电子化和小型化，大大降低了回差。n缺陷缺陷n由于受到测量口径和夹套的影响，使得浮子磁钢与磁传由于受到测量口径和夹套的影响，使得浮子磁钢与磁传感器的距离受到限制，磁传感器所测磁场强度较弱，极感器的距离受到限制，磁传感器所测磁场强度较弱，极易受到外磁场及铁磁性物质的影响。易受到外磁场及铁磁性物质的影响。n由于浮子磁钢处于被测流体中

7、，磁钢磁场受到流体的温由于浮子磁钢处于被测流体中，磁钢磁场受到流体的温度及其中的铁磁性物质的影响，造成浮子磁场变化，导度及其中的铁磁性物质的影响，造成浮子磁场变化，导致测量结果误差。致测量结果误差。半固态式机械电子混合式测量技术半固态式机械电子混合式测量技术图图3 3 采用磁阻式传感器的流量计工作原理采用磁阻式传感器的流量计工作原理当流体自下而上流当流体自下而上流过锥管过锥管1 1时，引起浮时，引起浮子子2 2产生位移，浮子产生位移，浮子位移通过磁钢位移通过磁钢4 4、5 5的耦合传给平衡杆的耦合传给平衡杆6 6，平衡杆的转动引起平衡杆的转动引起其上安装的磁钢其上安装的磁钢7 7的的转动，这样

8、就将浮转动，这样就将浮子 的 直 线 位 移 转子 的 直 线 位 移 转换成磁钢换成磁钢7 7的角度位移，再通过固态的磁阻传感器的角度位移，再通过固态的磁阻传感器8 8检测磁检测磁钢钢7 7的磁场方向的变化，从而使传感器的磁场方向的变化，从而使传感器8 8输出相应的电压，输出相应的电压，该输出电压输入到单片机应用系统进行处理后，可输出与该输出电压输入到单片机应用系统进行处理后，可输出与流量对应的标准电流信号输出远传。流量对应的标准电流信号输出远传。n优点优点n采用固态的磁阻传感器替代现有纯机械式角位移采用固态的磁阻传感器替代现有纯机械式角位移 传感器的测量，避免了角位移传感器因机械部分磨损传

9、感器的测量，避免了角位移传感器因机械部分磨损而发生信号丢失的现象，而且分辨率高，功耗低，体而发生信号丢失的现象，而且分辨率高，功耗低，体积小。积小。n对磁铁的温度系数不敏感，对冲击和振动不敏感，以对磁铁的温度系数不敏感，对冲击和振动不敏感，以及可以承受传感器和磁铁之间间隙较大的变化。及可以承受传感器和磁铁之间间隙较大的变化。n可以做成本安型或隔爆型防爆结构，扩大了流量计的可以做成本安型或隔爆型防爆结构，扩大了流量计的使用范围。使用范围。n缺陷缺陷n 仍然存在一定的机械磨损。仍然存在一定的机械磨损。半固态式机械电子混合式测量技术半固态式机械电子混合式测量技术课题研究的主要内容和创新点课题研究的主

10、要内容和创新点 n提出了一种使用半固态式传感器检测金属管浮子流量提出了一种使用半固态式传感器检测金属管浮子流量计中浮子位移的新方法，并成功研制了一台半固态式计中浮子位移的新方法，并成功研制了一台半固态式传感器。传感器。n对利用纯固态式传感器检测浮子位移的测量技术进行对利用纯固态式传感器检测浮子位移的测量技术进行了深入的研究，并分析了该测量技术的性能与特点。了深入的研究，并分析了该测量技术的性能与特点。n对于半固态式传感器，在对于半固态式传感器，在MSP430MSP430单片机上实现了以单片机上实现了以C/OS-IIC/OS-II为核心的软件系统，并实现了流量计的智能为核心的软件系统，并实现了流

11、量计的智能化。化。纯固态式和半固态式传感器的研究与设计纯固态式和半固态式传感器的研究与设计 v磁阻传感器的工作原理磁阻传感器的工作原理v纯固态式传感器的研究与设计纯固态式传感器的研究与设计v半固态式传感器的研究与设计半固态式传感器的研究与设计v供电方式的选择供电方式的选择磁阻传感器的工作原理磁阻传感器的工作原理一、磁阻效应一、磁阻效应 磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应体材料的磁阻效应( (或称高斯效应或称高斯效应) )。在洛伦兹力作用下使。在洛伦兹力作用下使一些载流子往一边偏转，所以半导体片内电流分布是不均一些载流子往

12、一边偏转，所以半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。半导体片的电阻变化。 与霍尔效应的区别如下：即霍尔电势是指垂直于电流与霍尔效应的区别如下：即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。 磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量。磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量。磁阻传感器的工作原理磁阻传感器的工作原理 二、磁阻传感器的工作原理二、磁阻传感器的工作原理 各向异性磁阻各向异性磁阻(AMR)(AMR

13、)发生在铁发生在铁质材料中，当在其制成的薄板中质材料中，当在其制成的薄板中施加一个垂直于电流方向的磁场施加一个垂直于电流方向的磁场M M时，它本身的电阻发生明显的变时，它本身的电阻发生明显的变化，这就是磁阻传感器的工作原化，这就是磁阻传感器的工作原理。理。 惠斯顿电桥是磁阻传感器的惠斯顿电桥是磁阻传感器的主要组成部分。主要组成部分。图图4 4 磁阻传感器的工作原理磁阻传感器的工作原理 及典型的磁阻响应曲线及典型的磁阻响应曲线 磁阻传感器的工作原理磁阻传感器的工作原理3 3、 HMC1501 HMC1501和和HMC1512HMC1512 Honeywell Honeywell公司的公司的HMC

14、1501HMC1501和和HMC1512HMC1512都是利用磁阻效应都是利用磁阻效应制成的传感器。他们的特点如下：制成的传感器。他们的特点如下：高分辨率：该磁阻传感器可以测量从一磁铁发出的磁场的方高分辨率：该磁阻传感器可以测量从一磁铁发出的磁场的方向角，分辨率可小于向角，分辨率可小于0.070.07。只要能使传感器处于饱和磁场（只要能使传感器处于饱和磁场（=80G=80G中，它的输出对于磁中，它的输出对于磁铁的温度系数不敏感，对于冲击和振动不敏感，以及可以铁的温度系数不敏感，对于冲击和振动不敏感，以及可以承受传感器和磁铁之间间隙的较大的变化。输出为典型的承受传感器和磁铁之间间隙的较大的变化。

15、输出为典型的惠斯顿电桥。惠斯顿电桥。宽的角度范围：宽的角度范围：HMC1501HMC1501角度范围为角度范围为450450，HMC1512HMC1512角度范围角度范围为为900900纯固态式传感器的研究与设计纯固态式传感器的研究与设计图图5 5 纯固态式金属管浮子流量计原理图纯固态式金属管浮子流量计原理图 设四个传感器的输出设四个传感器的输出结果分别为：结果分别为：V1V1，V2V2，V3V3，V4V4，通过实流标定可得到，通过实流标定可得到一条关于流量和四个电压一条关于流量和四个电压值的四元三阶的方程，通值的四元三阶的方程，通过最小二乘法拟合可求得过最小二乘法拟合可求得各系数。如下式所示

16、：各系数。如下式所示：DVCVBVAVCVBVAVCVBVAVCVBVAQ44244344332333332222232211211311纯固态式传感器的研究与设计纯固态式传感器的研究与设计 由此可以看出四个磁阻传感器都没有处于饱和情况下运行，此由此可以看出四个磁阻传感器都没有处于饱和情况下运行，此时传感器的输出电压不仅与磁场方向有关，还与磁场强度有关。这时传感器的输出电压不仅与磁场方向有关，还与磁场强度有关。这样就背离了该磁阻传感器的使用原则样就背离了该磁阻传感器的使用原则工作在饱和情况下时只与工作在饱和情况下时只与磁场方向有关，与磁场强度无关。磁场方向有关，与磁场强度无关。图图6 6 理论

17、上四个相同间距并排放置的理论上四个相同间距并排放置的 传感器输出及磁钢位置曲线图传感器输出及磁钢位置曲线图 02468100.81.01.21.41.61.82.02.2电压(V)流 量(m3/h) V1 V2 V3 V4图图7 7 流量和四个传感器流量和四个传感器 输出电压之间的关系图输出电压之间的关系图 纯固态式传感器的研究与设计纯固态式传感器的研究与设计 造成四个磁阻传感器不饱和的原因也很明显，就是因造成四个磁阻传感器不饱和的原因也很明显，就是因为浮子内嵌磁钢的磁场太弱，使得传递到传感器处的磁场为浮子内嵌磁钢的磁场太弱，使得传递到传感器处的磁场强度很小，达不到磁阻传感器的饱和磁场强度很小

18、，达不到磁阻传感器的饱和磁场8080高斯。一高斯。一共有两种解决方案：共有两种解决方案：增强浮子内嵌磁钢的磁场强度，但是这将使浮子吸附管道中增强浮子内嵌磁钢的磁场强度，但是这将使浮子吸附管道中的铁性材料，很容易造成管道堵塞，故该方案在实际中不的铁性材料，很容易造成管道堵塞，故该方案在实际中不可行。可行。 将该磁阻传感器换成测量微弱磁场强度的传感器，但目前尚将该磁阻传感器换成测量微弱磁场强度的传感器，但目前尚未找到合适的传感器未找到合适的传感器 。 本课题设计的半固态式金属管浮子流量计是利用霍本课题设计的半固态式金属管浮子流量计是利用霍尼维尔公司的磁阻传感器尼维尔公司的磁阻传感器HMC1512H

19、MC1512来检测通过传动部件传来检测通过传动部件传递出来的磁场方向。其工作原理为：递出来的磁场方向。其工作原理为： 半固态式传感器的研究与设计半固态式传感器的研究与设计半固态式传感器的研究与设计半固态式传感器的研究与设计 使用带两个磁阻桥的使用带两个磁阻桥的HMC1512HMC1512，是为了能够减小，是为了能够减小A/DA/D转转换，运放等造成的误差，温度实验的结果也可以证明这一换，运放等造成的误差，温度实验的结果也可以证明这一点。具体方法为用两个桥路输出的电压相减作为传感器的点。具体方法为用两个桥路输出的电压相减作为传感器的输出电压，如下式所示，可以看出经过相减运算后输出电压，如下式所示

20、，可以看出经过相减运算后HMC1512HMC1512仍可以达到仍可以达到9090的磁场方向检测，而且输出的电压值相比的磁场方向检测，而且输出的电压值相比原来有所增加，提高了传感器的灵敏度。原来有所增加，提高了传感器的灵敏度。)452sin(2)2cos()2sin(SVSVSVVVSSSBA图图8 8 传感器输出电压和传感器输出电压和 角的关系曲线角的关系曲线 本设计使用的是本设计使用的是-22.5-22.567.567.5这一段曲线。即传感器输出电压和外这一段曲线。即传感器输出电压和外部磁场与参考方向之间的夹角成反比。部磁场与参考方向之间的夹角成反比。 设设V = VA-VBV = VA-V

21、B，则通过实流标定可得到一条关于流量和，则通过实流标定可得到一条关于流量和V V的曲线，用最小二乘法通过三阶拟合即可得到各项系数。的曲线，用最小二乘法通过三阶拟合即可得到各项系数。半固态式传感器的研究与设计半固态式传感器的研究与设计DCVBVAVQ23 实验可得实验可得V V的取值范围为的取值范围为-0.9-0.91.7V1.7V，起始电压越高，起始电压越高，线性越差。通过图线性越差。通过图1212，1313对比可发现，很明显起始电压取得对比可发现，很明显起始电压取得小的图小的图1313中的曲线拟合效果比较好。故起始电压值在满足使中的曲线拟合效果比较好。故起始电压值在满足使用范围内单调的前提下

22、应尽可能取的小一些。用范围内单调的前提下应尽可能取的小一些。 半固态式传感器的研究与设计半固态式传感器的研究与设计-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0-2024681012141618Y =7.10657-4.23884 X+1.11246 X2-0.83351 X3流 量(m3/h)电压(V) Q 拟合曲线-1.0-0.50.00.51.01.5-2024681012141618Y =9.96731-7.3067 X+1.9985 X2-1.37131 X3流 量(m3/h)电压(V) Q 拟合曲线图图9 9 起始电压为起始电压为1.57V1.57V时流量和时流量和 传感器

23、电压的关系曲线传感器电压的关系曲线 图图10 10 起始电压为起始电压为1.38V1.38V时流量和时流量和 传感器电压的关系曲线传感器电压的关系曲线 供电方式的选择供电方式的选择一、恒压供电一、恒压供电图图11 11 恒压源供电电路图恒压源供电电路图 RtRRRtRRRtRRURtRRRtRRRtRRUUUBDO)()(整理得： tORRRUU 假设，假设， 则电桥输出则电桥输出与与 有关，也就是电桥的输出有关，也就是电桥的输出随温度变化而变化，而且这种影随温度变化而变化，而且这种影响是非线性的，所以用恒压源供响是非线性的，所以用恒压源供电，不能消除温度的影响。温度电，不能消除温度的影响。温

24、度实验的结果也可以证明这一点。实验的结果也可以证明这一点。 0tROUtR供电方式的选择供电方式的选择二、恒流供电二、恒流供电图图12 12 恒流源供电电路图恒流源供电电路图 电桥两个支路的电阻相等，故电桥两个支路的电阻相等，故 )(2tADCABCRRRR则有：则有： IIIADCABC5 . 0因此电桥输出为：因此电桥输出为： )(21)(21ttBDoRRRIRRRIUU整理得：整理得： RIUo 可以看出电桥输出与可以看出电桥输出与 无关，即用恒流供电，可无关，即用恒流供电，可以消除温度的影响以消除温度的影响 。tR半固态式传感器硬件系统的研究与设计半固态式传感器硬件系统的研究与设计

25、为了现场使用的方便，设计了三种硬为了现场使用的方便，设计了三种硬件系统方案：件系统方案：24V24V供电供电4 420mA20mA输出方案输出方案24V24V供电符合供电符合HARTHART协议方案协议方案3V3V电池供电系统方案电池供电系统方案 每种方案都可以选择使用液晶显示或每种方案都可以选择使用液晶显示或者通过指针现场指示。下面逐一进行介者通过指针现场指示。下面逐一进行介绍绍 ：24V供电供电420mA输出方案输出方案 以单片机为核心，主要分为以单片机为核心，主要分为6 6部分：电源部分、传感器部分：电源部分、传感器及信号提升放大单元、键盘部分、液晶显示部分、及信号提升放大单元、键盘部分

26、、液晶显示部分、232232或或485485通讯接口和通讯接口和4 420mA20mA输出单元。输出单元。 24V供电符合供电符合HART协议方案协议方案 这部分设计主要是把420mA输出方案中用精密电流变送器XTR115产生的420mA和5V电压改为由HART转接板产生。单片机D/A转换的结果接入HART转接板。 3V电池供电系统方案电池供电系统方案 它和它和24V24V供电系统的区别就是没有了供电系统的区别就是没有了4 420mA20mA输出功能，输出功能，得到得到5V5V直流用的是升压芯片直流用的是升压芯片NCP1400NCP1400，其余部分都和，其余部分都和24V24V供供电系统相同

27、。电系统相同。半固态式传感器基于半固态式传感器基于C/OS-II的的研究与设计研究与设计 C/OS-II C/OS-II是一个基于抢占式的实时多任务内核，可固是一个基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性，除此以外，化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性，除此以外，C/OS-C/OS-IIII的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。 C/OS-II C/OS-II可以管理多达可以管理多达6464个任务，但建议保留个任务，但建议保留4 4个最个最高优先级和高优先级和4 4个最低优先级的任务，供以后个最低优先级的任务，供以后C/OS-IIC

28、/OS-II的版的版本来使用。目前本来使用。目前C/OS-IIC/OS-II系统实际上只使用了系统实际上只使用了2 2个最低优个最低优先级的任务。优先级的值越低，表示任务的优先级越高。先级的任务。优先级的值越低，表示任务的优先级越高。 半固态式传感器基于半固态式传感器基于C/OS-II的的研究与设计研究与设计 本设计在本设计在MSP430单片机上实现了以单片机上实现了以C/OS-II为核心的软件系统，在保持原系统性为核心的软件系统，在保持原系统性能的基础上进一步提高了其可扩展性及可移植能的基础上进一步提高了其可扩展性及可移植性。并实现了流量计的智能化，可以通过按键性。并实现了流量计的智能化，可

29、以通过按键设置参数来实现对流量的修正，使之适应于不设置参数来实现对流量的修正，使之适应于不同介质，不同密度，不同工作条件的流量测量。同介质，不同密度，不同工作条件的流量测量。瞬时流量和累计流量还可以在液晶屏上实时显瞬时流量和累计流量还可以在液晶屏上实时显示。示。半固态式传感器基于半固态式传感器基于C/OS-II的的研究与设计研究与设计一共使用了一共使用了5 5个任务：个任务：通讯任务，优先级通讯任务，优先级4 4启动启动ADAD任务，优先级任务，优先级5 5流量计算显示存储任务，优先级流量计算显示存储任务，优先级6 6按键任务，优先级按键任务，优先级7 7空闲任务，优先级空闲任务，优先级636

30、3半固态式传感器的温度实验和实流半固态式传感器的温度实验和实流实验研究实验研究n温度特性实验研究温度特性实验研究n实流实验研究实流实验研究温度特性实验研究温度特性实验研究图图13 13 恒温干燥箱结构图恒温干燥箱结构图 一、温度实验装置一、温度实验装置 温度实验装置是上海洪温度实验装置是上海洪泽试验设备有限公司的高低泽试验设备有限公司的高低温湿热试验箱温湿热试验箱HDS401HDS401，温度，温度范围是范围是-40-40130130。它是。它是电热恒温干燥箱，其箱体内电热恒温干燥箱，其箱体内有保温装置，在箱体内的左右侧和底部都设有风道，以保有保温装置，在箱体内的左右侧和底部都设有风道，以保证

31、加热的空气由风机鼓动通过风道进行循环达到温场温度证加热的空气由风机鼓动通过风道进行循环达到温场温度均匀。干燥箱还有温度设置按键和温度数字显示功能。干均匀。干燥箱还有温度设置按键和温度数字显示功能。干燥箱结构如图燥箱结构如图16所示。所示。温度特性实验研究温度特性实验研究二、实验过程二、实验过程 3 3台传感器，温度变化从台传感器，温度变化从3030C+85C+85C C，进行正反行，进行正反行程实验，分别在程实验，分别在3030、3030和和8585三个温度点进行传感三个温度点进行传感器恒压供电和恒流供电的实验。试验中每一温度点测量时器恒压供电和恒流供电的实验。试验中每一温度点测量时间在间在1.521.52个小时以上，等传感器充分稳定后，读取数据。个小时以上，等传感器充分稳定后，读取数据。三、实验结论三、实验结论恒压供电恒压供电: :每每1010的最大温漂为的最大温