基于霍尔传感器阵列的孔板流量计测流量实验

刘卓霖，杨一帆，陈 苏，李海红

（北京邮电大学理学院，北京100876）

1 引 言

随着科学技术的发展，利用集成霍尔传感器测量微小位移的方法已在科研、工业及生活中被广泛应用[1－2].本文利用线性集成霍尔传感器阵列测量位移，搭建了孔板流量计测流量的演示实验.该实验装置设计原理清晰，涉及流体力学、非电学量与电学量的转换、数据采集及处理.同时，该实验物理图景清晰，并将经典实验和现代测量技术结合起来，是一个展示度很强的实验.

2 实验原理及装置

孔板流量计又称为差压式流量计，由孔板节流件、差压测量装置及显示装置组成，广泛应用于气体和液体的流量测量.孔板流量计的基本原理[3－5]是在管道内部装上孔板节流件，由于节流件的孔径小于管道内径，当流体流经节流件时，流束截面突然收缩，流速加快，节流件后端流体的静压力降低，于是在节流件前后产生静压力差，该静压力差与流过的流体流量之间有确定的数值关系.工业上利用差压变送器或差压计测量节流件前后的差压.差压变送器或差压计等压力传感装置根据灵敏度的不同，其价格差异很大.在物理实验中，我们将线性集成霍尔传感器阵列以及数据采集设备同水银差压计结合起来，如图1所示，搭建了可见度好且成本低廉的孔板流量计测流量的演示实验装置.

图1 实验装置原理图

如图1（a）所示，利用有机玻璃加工成管道、内部孔板节流件以及加注水银和磁钢的U形管，制成完全透明的测量装置.当流体流经管道内部节流件时，由于孔板结构的设置使得节流件前后产生静压力差Δp，通过该静压力差与流过的流体瞬时流量Q（以后简称流量）之间的函数关系计算流量.式中C为标定系数，利用实验室提供流量计测量的流量数据，标定系数C.节流件前后打孔位置下接U形管，通过测量U形管中水银的高度差Δh，计算两打孔位置的静压力差Δp.

测量U形管中水银的高度差Δh时，利用集成线性霍尔传感器（以后简称霍尔元件）测量磁场的原理[6－7]，将磁钢置于U形管中水银液面上，将按照一定距离排列的霍尔元件列阵置于磁钢一侧，如图1（b）所示，磁钢随两侧水银压力差变化上下移动，导致每个霍尔元件的输出电压发生变化.利用采集卡将所有霍尔元件的输出电压采集到电脑中，通过LabVIEW软件编程，分析比较各个霍尔电压，从而判断磁钢所在位置.测量出两侧水银高度差Δh，计算静压力差Δp，通过代入标定的常量C，求出此刻的流量.

实验中，静压力差Δp测量的准确程度由磁钢位置标定的准确程度决定，因而磁钢位置的标定是本实验的中心测量过程.将磁钢水平放置在水银表面上，其N和S极垂直于水银液面，霍尔元件阵列紧贴在U形管一侧，其霍尔片平面垂直于水银液面.由于磁钢侧面的磁场较小，如果通过寻找输出电压极大值的霍尔元件来判定磁钢位置时，其输出电压在霍尔元件正处于磁钢侧面时会变得很小，不利于测定磁钢的具体位置.因而，我们通过输出电压极大与次极大的霍尔元件粗略判定磁钢位置，进一步对霍尔电压输出次极大值的霍尔元件其输出电压与磁钢位置的关系进行测量，如图2所示，从而通过拟合函数标定磁钢位置.图2中的霍尔电压的变化呈e指数增长或下降，其表征的磁场大小与磁钢磁场分布较为吻合.由图2可知，霍尔元件输出电压V与磁钢相对霍尔元件距离x的函数关系如下：

靠近 V＝0.007 4exp（x／3.95）＋5.006 3；

远离 V＝0.125 9exp（－x／3.95）＋5.001 6.

图2 霍尔元件输出电压与磁钢位置关系图

图3是采集卡采集霍尔元件阵列输出的电压信号后，利用LabVIEW进行编程的编程框架.

图3 LabVIEW程序框架图

图4是自行设计加工的有机玻璃孔板及U形管差压计实物图，除此之外，还需要水银、集成线性霍尔传感器若干、磁钢、万用表、采集设备等.

图4 自加工的板孔流量计测量图

3 数据测量与分析

根据多次实际测量数据，以表1数据为例，标定参量C[8－10].

当流量较小时，由于液体内湍流等因素的影响，通过拟合函数测量的流量误差较大.在实际操作中，可以对小流量部分采用分段拟合的方式，用类似的方法得到另一函数参量.通过反复验证，本流量计在流量小于10L／min所测实验结果的相对偏差一般不超过5%.

表1 测量数据

图5 流量Q与的关系图

4 结束语

根据流体力学原理，采用管道内设置孔板的方式对水的流量进行了测量，数据测量部分通过霍尔元件阵列的引入，采用采集卡与软件编程的方式给予呈现.该实验装置展示了传统孔板流量计的设计原理，物理图像清晰.其次，装置利用大学物理实验课上的集成线性霍尔传感器制成阵列测量压差，原理显示直观，可视性好，且成本低廉，是一个学生参与实验创新的范例.

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