靶式流量變送器

      1 分析

      靶式流量計主要用于測量高粘度、低雷諾數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放在管道中的圓形靶，當流體流動時，流動介質沖擊靶片如圖1所示，使靶受到三部分力的作用：

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

      則

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

      又質量流量

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

      由于（1）（2）可得流體體積流量

      靶式流量計將靶受力產生的位移轉換為電部分是通過螺管式差動變壓器來實現的。當初始狀態時，如圖2所示，差動變送器的銜鐵處于螺管的中心位置，兩個次級線圈2和同初級線圈1的互感M₁、M₂相等，由于差動變壓器兩次級線圈差動相接，又與初級線圈產生的感應電勢相同，因此次級差動變壓器的鐵芯運動時，使變壓器互感系數發生變化，從而使兩次級線圈產生的感應電動勢不等，使得差動輸出電壓不為零，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刻的流速。

      2 硬件電路設計

      變送器部分電路主要由信號發生模塊、模擬信號放大模塊、AC/DC轉換模塊、壓流轉換模塊組成，原理如圖3。最終將靶片受力所產生的位移信號轉換成4~20mA輸出，并送入二次儀表中單片機的A/D接口，通過軟件對其進行線性修正、上下線切除以及補償等處理，將最后的瞬時流量、累計流量、溫度、頻率和壓力顯示的液晶屏上。

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

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

      （3）考慮到二次儀表與現場的距離，為達到信號遠傳的目的，用AM402把電壓信號轉變成4~20mA電流值傳輸到二次表進行處理。

      （4）根據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可以接收差模信號或單端對地的信號。但輸入的端口不一樣，從402的7腳輸入單端對地信號，通過調節8腳和9腳之間的滑動變阻器VR2使得輸出電流為4mA。再調節輸入端滑動變阻器VR1使電流值達到20mA，此時下限值可能會有所增大，再重新調節VR2，這樣反復調節最終得到4~20mA電流輸出。

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

      （6）差動變壓器的激勵頻率對其靈敏度、線性、銜鐵運動的可測頻率都有關系，激勵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技術設計的，他能對蒸汽、氣體、液體的流量進行顯示、積算，并配以壓力、溫度變送器，能對流體的密度因壓力、溫度變化而引起的測量誤差進行補償修正，當密度發生變化時，他的修正關系式為：

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

      這種靶式流量計傳感器的硬件電路設計簡單，可靠，測量范圍廣，再配合軟件進行實時的補償和修正，可以大大的提高測量準確度。在測量高粘度流體中表現出明顯的優勢，該表也可以用來測量氣體和蒸汽的流量，具有很高的應用價值。

      參考文獻

      1 梁國偉，蔡武昌.流量測量技術及儀表.北京：機械工業出版社，2002.5
      2 楊寶清.現代傳感器技術基礎.中國鐵道出版社，2001