靶式流量變送器

      1 分析

      靶式流量計(jì)主要用于測量高粘度、低雷諾數(shù)流體以及含適量固體顆粒的漿液的流量。它的檢測部分是一個(gè)放在管道中的圓形靶，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)介質(zhì)沖擊靶片如圖1所示，使靶受到三部分力的作用：

      （1）流體對(duì)靶的直接沖擊力，即流體的動(dòng)壓力；
      （2）流體沖擊靶面，在靶的后方產(chǎn)生死水區(qū)，因此在靶前后產(chǎn)生靜壓差；
      （3）由于流體的粘性，對(duì)靶產(chǎn)生一個(gè)摩擦力。其主要受力取決于靜、動(dòng)壓力，令其合力為F。根據(jù)伯努力方程得：

      則

      式中：ρ為流體密度；v為流體的特征速度（取環(huán)形面積處的平均速度）；A為靶面積；K為比例常數(shù)。

      又質(zhì)量流量

      式中：S為環(huán)形截面積，S=π/4（D²- d²）；D為管道內(nèi)徑。

      由于（1）（2）可得流體體積流量

      靶式流量計(jì)將靶受力產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)換為電部分是通過螺管式差動(dòng)變壓器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，如圖2所示，差動(dòng)變送器的銜鐵處于螺管的中心位置，兩個(gè)次級(jí)線圈2和同初級(jí)線圈1的互感M₁、M₂相等，由于差動(dòng)變壓器兩次級(jí)線圈差動(dòng)相接，又與初級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)相同，因此次級(jí)差動(dòng)變壓器的鐵芯運(yùn)動(dòng)時(shí)，使變壓器互感系數(shù)發(fā)生變化，從而使兩次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，使得差動(dòng)輸出電壓不為零，且銜鐵位移越大，輸出電壓幅值越大，銜鐵位移的方向決定了輸出電壓的相位。基于此原理可以間接測得流體在某時(shí)刻的流速。

      2 硬件電路設(shè)計(jì)

      變送器部分電路主要由信號(hào)發(fā)生模塊、模擬信號(hào)放大模塊、AC/DC轉(zhuǎn)換模塊、壓流轉(zhuǎn)換模塊組成，原理如圖3。最終將靶片受力所產(chǎn)生的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA輸出，并送入二次儀表中單片機(jī)的A/D接口，通過軟件對(duì)其進(jìn)行線性修正、上下線切除以及補(bǔ)償?shù)忍幚恚瑢⒆詈蟮乃矔r(shí)流量、累計(jì)流量、溫度、頻率和壓力顯示的液晶屏上。

      （1）信號(hào)發(fā)生模塊是由7660和8038組成，8038是一個(gè)波形發(fā)生器，只需要加小部分的外圍電路就能產(chǎn)生方波，正弦波和三角波，波的頻率是由R₁、R₂及C₃控制，當(dāng)滿足R₁=R₂=R時(shí)，f=0.33/Rc，本電路用一個(gè)頻率為3.3kHz幅值為2.2V的正弦波，作為差動(dòng)變壓器的激勵(lì)信號(hào)。

      （2）由于芯片8038產(chǎn)生的正弦波中含有直流分量，將會(huì)增加整個(gè)電路的功耗，因此在信號(hào)輸出端須加上一個(gè)隔直電容，再經(jīng)過158差分放大，為差動(dòng)變壓器原邊提供了一個(gè)的交流激勵(lì)信號(hào)。改變差動(dòng)變壓器銜鐵的位置，其副邊正弦信號(hào)的幅值也隨之變化，因此通過橋式整流和低通濾波變成一個(gè)值可變的直流電壓信號(hào)。

      （3）考慮到二次儀表與現(xiàn)場的距離，為達(dá)到信號(hào)遠(yuǎn)傳的目的，用AM402把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成4~20mA電流值傳輸?shù)蕉伪磉M(jìn)行處理。

      （4）根據(jù)電流的輸出端的不同，可以將電路分成兩線制和三線制。本電路采用兩線制接法。AM402可以接收差模信號(hào)或單端對(duì)地的信號(hào)。但輸入的端口不一樣，從402的7腳輸入單端對(duì)地信號(hào)，通過調(diào)節(jié)8腳和9腳之間的滑動(dòng)變阻器VR2使得輸出電流為4mA。再調(diào)節(jié)輸入端滑動(dòng)變阻器VR1使電流值達(dá)到20mA，此時(shí)下限值可能會(huì)有所增大，再重新調(diào)節(jié)VR2，這樣反復(fù)調(diào)節(jié)最終得到4~20mA電流輸出。

      （5）差動(dòng)變壓器存在零位輸出電壓，會(huì)影響電路正常工作，但通過加補(bǔ)償電路的方法，基本可以滿足要求， 由于差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)，銜鐵的位移量跟輸出電壓的幅值在大范圍內(nèi)不成線性，但在2mm內(nèi)可近似為線性，此種靶式流量計(jì)用來測小流量的液體，經(jīng)估計(jì)靶的移動(dòng)范圍不超過2mm，因此不會(huì)引起大的誤差。

      （6）差動(dòng)變壓器的激勵(lì)頻率對(duì)其靈敏度、線性、銜鐵運(yùn)動(dòng)的可測頻率都有關(guān)系，激勵(lì)頻率選的過高或過低都將影響他的性能，常選用頻率400Hz~10kHz，綜合各種因素，選擇頻率3.3kHz。

      （7）二次顯示儀表是采用單片微機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的，他能對(duì)蒸汽、氣體、液體的流量進(jìn)行顯示、積算，并配以壓力、溫度變送器，能對(duì)流體的密度因壓力、溫度變化而引起的測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償修正，當(dāng)密度發(fā)生變化時(shí)，他的修正關(guān)系式為：

      （8）將模擬電路電源與數(shù)字電路電源通過DC/DC隔離，通訊模塊與主電路之間的信號(hào)通過光電隔離器耦合，供電電源與地之間用一個(gè)大電容隔開，這樣可有效地抑制干擾。

      這種靶式流量計(jì)傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)簡單，可靠，測量范圍廣，再配合軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償和修正，可以大大的提高測量準(zhǔn)確度。在測量高粘度流體中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，該表也可以用來測量氣體和蒸汽的流量，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

      參考文獻(xiàn)

      1 梁國偉，蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.5
      2 楊寶清.現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ).中國鐵道出版社，2001