高可靠微结构液体流量传感器设计

蔡春丽， 简荣坤, 李 涛

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

随着我国航空工业自动化、智能化、小型化的快速推进和完善，对流体测量的精准性、小型化要求也愈发提高。而流体自身状态的复杂性、环境的多变性，决定了流体测量的难度更大、要求更高。

目前航空领域液体流量测量的产品主要基于涡轮原理和压差原理，而涡轮流量计相对来讲具有更好的重复性、更宽量程范围、更高精度等优点，得到广泛应用。国内重要工程型号应用的涡轮流量传感器大多是进口器件，产品重复性好，精度高。而国产流量计尺寸偏大、分辨率较低、耐恶劣环境能力差，且可选产品多为标件口径Φ6,Φ10,Φ15等尺寸。根据应用工程需求的涡轮流量传感器，其口径Φ9.5，测量范围1.677～30 L/min,温度范围-20～100 ℃，精度小于1 %FS。国产现无符合的产品，精度不大于1 %FS且口径接近的有LGW—10系列产品，其产品口径Φ10，壳体材质为不锈钢，测量范围为1.677～10 L/min，外形尺寸约为100 mm×12 mm×124 mm，且抗噪声、电场、磁场等环境干扰能力弱，无法满足工程型号可靠、精准、小巧、轻量的应用需求。

针对上述情况，本文对涡轮流量测量特性进行研究，确定影响流量测量性能的相关参数，依据参数关系，从结构、电路、软件等方面开展工作，设计出一种新的小体积、宽量程、高可靠的涡轮流量传感器。

1 液体流量测量特性分析

由涡轮流量计的原理可知，一定条件下，被测流体体积流量和叶轮转动频率成线性关系，即

f=KqV

(1)

式中f为叶轮产生的频率，K为仪表系数，qV为流体流量。

理想状态下，K为恒定的，但实际测量时，K值随着被测流体流量的变化而变化。因此准确捕获到K值是提高传感器性能的关键，而考核K值的优劣性指标是其线性度误差。

分析现有成果[1～3]，提炼出涡轮流量传感器简化数学模型为

(2)

式中β为叶片安装角，A为流通截面积，N为叶片数量，Tb为轴承摩擦阻力矩，Tw为轮毂端面粘性摩擦阻力矩，Th为轮毂表面粘性摩擦阻力矩，Tt顶端间隙粘性摩擦阻力矩，Tm为磁电摩擦阻力矩。当叶轮处于匀速转动这种理想的平衡情况，且所有摩擦阻力矩均可以忽略时，式(2)可以化简为

(3)

由式(3)可知，如果所有摩擦阻力矩小到可以忽略时，即在理想状态下，涡轮流量传感器的仪表系数仅和产品几何结构有关与流体流量无关。

综合分析传感器的几何结构，对叶片安装角及叶轮顶端间隙等关键结构参数进行影响分析[4～7]。以仪表系数的线性度误差和压损为考核点，通过在现有标准结构几何参数的基础上，加大和减小参数值的方式，发现安装角增大，仪表系数的非线性误差会增大，但压损会减小；叶轮顶端间隙增大，仪表系数的非线性误差会减小，但压损会增大。

而实际上，传感器仪表系数并非与流体流量无关[8～10]，通过仿真及实体测量，传感器的流量特性曲线如图1所示。在传感器工作的初始阶段，会呈现出一个类似“驼峰”状的非线性区域，后面才是平缓的线性区域。要想获取很高的测量精度和良好的重复性，需要尽可能降低传感器的线性度误差。

图1 传感器流量特性曲线

在非空载状态下，叶轮需要克服与轴承之间的静阻力矩Tb后才能由静止状态变为转动状态，克服扭矩的最小流量值即始动流量qVmin，即当传感器测量小于该流量值的流体时，叶轮不转动。当流量达到始动流量时，叶轮开始转动，但其旋转角速度很小，流体因素带来的摩擦阻力矩Tw,Th,Tt近似为0，叶轮开始转动时，输出信号为0，脉冲频率}， 即

(4)

整理后可得

(5)

(6)

由式(6)可知始动流量值qVmin很大程度上取决于轴承摩擦阻力矩Tb和安装角β。Tb越小，qVmin越小；β越大，qVmin越小。qVmin值越小代表传感器对测量流体越敏感，传感器的测量性能越好。

2 微结构设计

结合产品特性分析，要提高传感器性能，并要保障体积最小化，关键一点是要优化配置产品几何结构，确定敏感部件关键参数，极大限度降低线性度误差，并获取最小的始动流量。在结构设计及优化配置中，以流场特性和测量性能为考核点。产品流场特性体现在压损上，测量性能体现在仪表系数的线性度误差上。结合产品实际工况，进行建模，产品叶轮和导流器模型如图2所示。模型叶轮采用双向钢材质，叶轮前导、后导、轴承管路、锁紧环均为钛合金材质。这种材质在保证产品钢度的同时又可实现减重效果。

图2 叶轮和导流器模型

用瞬态仿真的方法对不同轮毂间隙、轮毂长度、叶片厚度、叶片安装角的传感器结构模型进行仿真分析，并从仪表系数和压损的角度分析其优劣性，限于结构参数间的相互制约关系，通过反复试验，优化配置，确定涡轮组件关键参数，最大限度提高产品的分辨力及性能。最终确定管路尺寸为Φ9.5 mm，优化后的线性度误差为0.267 %，重复性误差0.089 %，确认的产品几何结构关键参数如表1所示。

表1 产品结构关键参数

鉴于航空领域复杂而严苛的电磁环境，局限于产品的体积与重量，产品总体采用一体化双腔室结构设计，腔室内进行磁屏蔽设计，螺纹安装。这种结构可有效屏蔽电磁辐射等外界电磁环境干扰，大大提高产品的可靠性。产品尺寸不大于70 mm×18 mm×88 mm，重量小于135.5 g，外形结构如图3所示。

图3 两腔室结构

3 微信号调理电路设计

结构上实现了产品性能的优化，还需要电路上来配合，以电信号的形式直观的呈现。涡轮工作发出的信号是微弱的，量程越小分辨力越差，且电场、磁场、噪声等环境会产生干扰。尤其是电磁场干扰，为了准确采集到频率信号，提高产品的抗电磁干扰能力，有针对性地设计了信号放大电路、脉冲调整电路、比较电路、滤波电路和信号转换电路，尤其是滤波电路，从电源端、地端、信号传递、转换及信号输出等干扰源可能侵入的方面进行了考量，有效滤除电磁传导带来的干扰。微信号采集调理电路原理如图4所示。

图4 微信号调理电路原理

产品电磁干扰测试情况如图5所示。

图5 CS114电磁干扰测试曲线

由测试结果表明：传感器可耐受电磁兼容传导敏感性CS114试验曲线五电磁环境，而普通的传感器产品仅能承受曲线二电磁干扰，有效提高了传感器的可靠性和抗干扰性。

4 软件分析算法设计

为了最大限度简化硬件设计，缩小尺寸、减少重量，通过软件算法来进一步提高产品的精度。即在产品生产过程中进行正返行程标定，在标定点取得相应的频率值，并按理论分析映射出相应DAC值。应用Origin仿真软件，将频率值和DAC值应用最小二乘法进行拟合分析，得出曲线方程。将方程写入软件程序指定位置，并在程序中设置好相关函数系数变量，给出变量求解算法，实现函数系数的自动修正，应用下载器将程序载入单片机即完成产品的标定。即标定时只需输入标准流量值及其对应的传感器信号输出值，便可完成产品的算法修正。

5 测试与结果分析

在实验室条件下，制作一工装夹具，将传感器产品安装在测试系统中，确保其前后端直管路长度与管路直径的比例关系，以便保证测试时流经传感器涡轮的流体处于平流状态。工装进口端直管路长度为120 mm，出口端直管路长度为100 mm。测试系统工作框图如图6所示。

图6 测试系统工作框图

系统搭建好后，对传感器产品进行标定。以2101#产品为例，在0～30 L/min范围内选取8个点进行正反行程标定，确定产品在各流量点处的频率值，并按理论分析映射出相应DAC值。标定原始数据如表2所示。

表2 标定数据

依据表2标定数据，应用最小二乘法对数据进行拟合分析，得出曲线方程如下

y=0.000 6x2+4.090x+829.6

(7)

通过下载器，将拟合好的特征方程写入单片机程序中。对产品重新加电进行检测，得到测试数据如表3所示。

表3 测试数据

由表中测试数据可知，产品最大测量误差为0.274 L/min，换算精度为0.91 %FS。

6 结 论

本文设计了一种小体积、高可靠的液体涡轮流量传感器，解决了现有宽量程流量测量过程中噪声、电场、磁场等环境因素影响大、精度低、稳定性差等问题，实现了0～30 L/min液体流量的瞬态精准监测。实验结果表明：传感器体积小,为70 mm×18 mm×88 mm;测量精度高,为0.91 %FS；启动流量低,为1.677 L/min；其抗干扰能力强，长时间运行稳定可靠，适用于航空、航天、船舶等领域环境恶劣场所应用。