王可崇 劉曼蘭

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院1，黑龍江 哈爾濱 150001;哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

目前，基于節(jié)流原理的流量測(cè)量仍被廣泛應(yīng)用，其原因在于節(jié)流式流量計(jì)使用方便、適應(yīng)性好，不像渦街流量計(jì)易受外界測(cè)量條件影響［1-2］。節(jié)流式流量計(jì)中，差壓式流量計(jì)使用固定式節(jié)流元件，靶式和轉(zhuǎn)子流量計(jì)使用動(dòng)節(jié)流元件。

固定式節(jié)流元件孔板、噴嘴或文丘里管固定在管道中，流體從其中部的通孔流過;靶式或轉(zhuǎn)子流量計(jì)的動(dòng)節(jié)流元件為懸在管道中央的圓盤靶或轉(zhuǎn)子，沒有中部通孔，流體從圓盤靶或轉(zhuǎn)子與管道間的環(huán)形間隙流過。固定式節(jié)流元件與差壓計(jì)間需設(shè)導(dǎo)壓管，故不適合小管徑和臟污流體的流量測(cè)量。

與靶式或轉(zhuǎn)子流量計(jì)不同，本文設(shè)計(jì)的流量變送器使用中部通孔的孔板、噴嘴或文丘里管作為動(dòng)節(jié)流元件，將被測(cè)流量轉(zhuǎn)換為流體作用在動(dòng)節(jié)流元件上的推力，無(wú)需導(dǎo)壓管。

1 流量變送器的結(jié)構(gòu)與原理

流量變送器由中部通孔的動(dòng)節(jié)流元件測(cè)量裝置與應(yīng)變式位移檢測(cè)元件的力平衡式變送器兩部分組成，流量變送器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 流量變送器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Principle of the structure of flow transmitter

流體在固定式節(jié)流元件前后產(chǎn)生壓差與在動(dòng)節(jié)流元件上產(chǎn)生推力是節(jié)流原理的一體兩面，其本質(zhì)是相同的?？紤]到測(cè)量推力比測(cè)量壓差更直接，且無(wú)需導(dǎo)壓管，因而使用動(dòng)節(jié)流元件比固定式節(jié)流元件更有優(yōu)勢(shì)。

由于沒有導(dǎo)壓管在傳遞微小壓差方面的困難，因此，與差壓變送器主要用孔板不同［3］，本文設(shè)計(jì)的變送器主要使用文丘里管。與孔板相比，文丘里管流阻更小，因而更符合現(xiàn)代流量計(jì)要求流動(dòng)損失小的發(fā)展趨勢(shì)。

使用文丘里管時(shí)，流體中的污物不會(huì)像孔板那樣在前方堆積，流量變送器既不存在導(dǎo)壓管堵塞問題，也不易堵塞主管道，因而適用于測(cè)量臟污流體。研制該流量變送器的初衷是為小口徑的戶用型熱計(jì)量表設(shè)計(jì)一款合用的流量計(jì)，但很明顯，它也可用于許多其他場(chǎng)合。

在測(cè)量裝置中，動(dòng)節(jié)流元件采用文丘里管，其兩端各配接一個(gè)帶邊緣波紋的金屬波紋彈性膜片，膜片內(nèi)緣與文丘里管的出、入口密封連接，外緣與前、后端管密封連接。

上述密封連接形成一個(gè)流體從前端管入口流入、接著流過文丘里管中部通孔、最后從后端管出口流出的無(wú)泄漏的流動(dòng)通道。

金屬?gòu)椥阅て扔懈綦x被測(cè)流體并承受該流體壓力的功能，又有支撐文丘里管并允許其沿軸向移動(dòng)的功能。機(jī)殼架與前、后端管剛性連接，以固定兩端管間距離，并可在上面安裝其他部件。

在力平衡式變送器中，反饋動(dòng)圈固定安裝在杠桿上端，并處于永久磁鋼的磁場(chǎng)中。應(yīng)變片粘貼在一個(gè)剛度系數(shù)很低的懸臂梁上，懸臂梁上端固定，下端感受經(jīng)杠桿傳遞的文丘里管位移。

需要說(shuō)明的是，為了以較小的撓度獲得要求的應(yīng)變值，懸臂梁應(yīng)有相當(dāng)?shù)暮穸?，但這又與它剛度系數(shù)很低的要求相矛盾。解決方法是采用非金屬?gòu)椥圆牧匣蚴褂闷渌Y(jié)構(gòu)型式的彈性元件。當(dāng)流量增大時(shí)，流體對(duì)文丘里管的推力增大，文丘里管右移，經(jīng)杠桿傳遞，懸臂梁下端向左撓曲，其上的應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)電阻變化。該電阻變化經(jīng)電橋、電壓放大和V/I轉(zhuǎn)換電路處理后，使變送器輸出電流增大。變送器輸出電流在流過負(fù)載電阻RL的同時(shí)，還流過反饋動(dòng)圈，以產(chǎn)生更大的電磁反饋力，從而與增大的流體推力相平衡。

電磁反饋力與輸出電流有關(guān)，流體推力與流體流量有關(guān)。因此，根據(jù)流過負(fù)載電阻RL的輸出電流值即可得到被測(cè)流量的大小。

力平衡式變送器是一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)，它由杠桿、前向通道的位移檢測(cè)放大器、反饋通道的電磁反饋裝置組成，其原理如圖2所示。

圖2 應(yīng)變式位移檢測(cè)元件的力平衡式變送器方框圖Fig.2 Block diagram of the force balance transmitter based on strain displacement detection element

位移檢測(cè)放大器采用應(yīng)變式位移檢測(cè)放大器，它由應(yīng)變式位移檢測(cè)元件、電橋、電壓放大器、V/I轉(zhuǎn)換電路幾部分組成。

應(yīng)變式位移檢測(cè)元件包括檢測(cè)懸臂梁與粘貼在其上的應(yīng)變片。電橋?qū)?yīng)變片電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓，電壓放大器輸出電壓經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為整個(gè)變送器輸出的直流電流信號(hào)Ⅰ，電流信號(hào)Ⅰ又同時(shí)流過固定在杠桿上的反饋動(dòng)圈，產(chǎn)生電磁反饋力f2。被測(cè)量的輸入力f1與f2在杠桿上比較后產(chǎn)生的差值力Δf作用在懸臂梁上，Δf使懸臂梁產(chǎn)生形變(位移)并被其彈性力平衡，該形變又使應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化。

根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的計(jì)算方法，可得整個(gè)變送器輸出的直流信號(hào)Ⅰ為:

式中:k1、k2、k3、k5、k6、k8為閉環(huán)系統(tǒng)相應(yīng)環(huán)節(jié)的比例系數(shù);Ⅰ為變送器電流輸出信號(hào)，mA;f1為被測(cè)量的輸入力，N;k4為懸臂梁剛度系數(shù)，N/m;k7為電壓放大器放大系數(shù)，無(wú)量綱;β為電磁反饋裝置的反饋系數(shù)，N/mA。由于k4應(yīng)設(shè)計(jì)得比較小，k7又比較大，即:

式中:k1、k2為杠桿系統(tǒng)的比例系數(shù)，無(wú)量綱。由于k1、k2、β均為特性較穩(wěn)定環(huán)節(jié)的比例常數(shù)，故變送器輸出Ⅰ與被測(cè)輸入f1呈穩(wěn)定的比例關(guān)系。由以上分析可見，只要前向通道的放大倍數(shù)足夠大，變送器特性就只與k1、k2、β有關(guān)，而與應(yīng)變式位移檢測(cè)放大器各環(huán)節(jié)比例系數(shù)的穩(wěn)定性無(wú)關(guān)。因此，放大器可使用相對(duì)便宜的元器件。

在測(cè)量流量時(shí)，f1與流量Q具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系(f1與Q相互間的關(guān)系將在下一節(jié)討論)，則:

由式(4)可知，變送器輸出信號(hào)Ⅰ與被測(cè)流量Q之間有確定的函數(shù)關(guān)系。

2 中部通孔的動(dòng)節(jié)流元件測(cè)量裝置

圖1中，杠桿下部安裝有一個(gè)傳動(dòng)叉，叉兩端各有一開口槽，文丘里管上的兩個(gè)圓柱銷置于開口槽內(nèi)，開口槽與圓柱銷組成移動(dòng)副，可將文丘里管的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦軛U的轉(zhuǎn)動(dòng)。杠桿上部與檢測(cè)懸臂梁接觸，梁上的應(yīng)變片將杠桿上部位移轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。

作用在文丘里管上的推力f1與被測(cè)流量Q之間的關(guān)系可分析如下。將文丘里管安置在水平直管道上，這樣，研究文丘里管前后流體位能變化時(shí)就只需考慮靜壓能。根據(jù)流體力學(xué)原理，有:

式中:p1、p2為文丘里管前、后流體的靜壓力，Pa;γ為被測(cè)流體的重度，N/m3;ξ為阻力系數(shù)，它與文丘里管的形狀和流體黏性等有關(guān);g為重力加速度，m/s2;v為流體流過文丘里管中部通孔的流速，m/s。顯然，(p1-p2)乘以文丘里管的有效橫截面積A，即得到被測(cè)流體作用在文丘里管上的推力f1。

文丘里管的有效橫截面積為:

式中:D為外接管道內(nèi)徑，m;d為文丘里管中部通孔直徑，m。與邊緣受限的彈性膜片的有效面積計(jì)算不同，文丘里管是整體移動(dòng)的，其有效橫截面積不必考慮邊緣效應(yīng)，直接按幾何尺寸計(jì)算即可。

由于帶邊緣波紋的波紋彈性膜片中心位移的剛度系數(shù)較?。?］，測(cè)量過程中文丘里管的位移也很微小，且流體流過文丘里管要產(chǎn)生壓差，適當(dāng)選擇彈性膜片的有效面積，則流體壓差在兩個(gè)彈性膜片上產(chǎn)生的額外推力將抵消兩個(gè)彈性膜片因軸向微小位移產(chǎn)生的大部分甚至全部反彈力。因此，流體對(duì)文丘里管的推力f1主要由電磁反饋力f2平衡，兩個(gè)彈性膜片沿管道軸向位移所產(chǎn)生反彈力的影響可以忽略。綜合式(5)和式(6)可得:

根據(jù)式(7)和式(8)，可得被測(cè)流量 Q的表達(dá)式為:

式中:Q為被測(cè)流體的體積流量，m3/s;C為流量系數(shù)，m3·N2·s-1。當(dāng)被測(cè)流體各項(xiàng)參數(shù)和文丘里管幾何尺寸確定后，C是常數(shù)，因此流量Q與推力f1的平方根成正比。但C的組成項(xiàng)ξ不能通過理論推導(dǎo)獲得，只能對(duì)流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定來(lái)確定C值。

圖1中，動(dòng)節(jié)流元件的測(cè)量裝置僅適用于測(cè)量比較清潔的液體與氣體，若在文丘里管前后各加裝一個(gè)簡(jiǎn)單的防堵塞元件，則該裝置即可勝任臟污流體的流量測(cè)量。在此，為使畫面更簡(jiǎn)明，該防堵塞元件未在圖中畫出，將另文介紹。

3 新型力平衡式變送器

根據(jù)力平衡原理，當(dāng)前向通道放大倍數(shù)足夠大時(shí)，力平衡式變送器的輸入/輸出特性只取決于杠桿和電磁反饋裝置。因此，調(diào)零點(diǎn)和調(diào)量程的裝置均應(yīng)設(shè)置在杠桿和電磁反饋裝置上。

零點(diǎn)調(diào)節(jié)通過調(diào)整杠桿上的調(diào)零彈簧(圖2中未畫出)實(shí)現(xiàn)，從而使流量在測(cè)量下限時(shí)變送器的輸出電流為4 mA。量程調(diào)節(jié)主要通過改變電磁反饋裝置在杠桿上的位置等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文作者自制了一個(gè)DN20口徑的流量變送器，文丘里管采用經(jīng)典文丘里管廓形［5］，并在實(shí)驗(yàn)室里做了試驗(yàn)標(biāo)定［6］。試驗(yàn)標(biāo)定后，用方程Ⅰ=aQb對(duì)輸入輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線接近于二次曲線。

進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定時(shí)，在常用流量1.2 m3/h的標(biāo)定流量點(diǎn)上，文丘里管前后的靜壓損失僅為1.38 kPa。因此，與孔板相比，流體作用在文丘里管上的推力較小，平衡該推力的電磁反饋力也較小。這樣，變送器就可采用比較細(xì)的單杠桿，而不必像DDZ-Ⅲ型差壓變送器那樣采用復(fù)雜的雙杠桿與矢量機(jī)構(gòu)［7］。

力平衡式變送器中的應(yīng)變式位移檢測(cè)放大器整體電路如圖3所示［8-9］，而該放大器各部分間的關(guān)系則可參見圖2。

圖3 應(yīng)變式位移檢測(cè)放大器電路圖Fig.3 Circuit of the amplifier for strain displacement detection

在應(yīng)變式位移檢測(cè)元件中，將應(yīng)變片R2、R3粘貼在懸臂梁正應(yīng)變區(qū)，應(yīng)變片R1、R4粘貼在負(fù)應(yīng)變區(qū)。對(duì)于位移檢測(cè)放大器，其只要求放大倍數(shù)比較高，因此，為降低造價(jià)，不必選擇彈性模量溫度系數(shù)小的金屬材料制作懸臂梁，而只需將其剛度系數(shù)k4設(shè)計(jì)得足夠小即可。這樣，很小的差值力Δf就能使應(yīng)變片產(chǎn)生足夠的ΔR。顯然，Δf相對(duì)于f1和f2越小，變送器測(cè)量精度就越高。

同樣地，電壓放大器選用低價(jià)格的儀表放大器AD8221。AD8221的輸出電壓UI取決于其放大倍數(shù)和電橋中應(yīng)變片的ΔR，改變RG就可以調(diào)整其放大倍數(shù)，進(jìn)而使得應(yīng)變片的ΔR能夠在某個(gè)應(yīng)變值下(設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保該值始終小于該應(yīng)變片的極限應(yīng)變)，將UI達(dá)到后續(xù)V/I轉(zhuǎn)換電路要求的最大值+4 V。

V/I轉(zhuǎn)換電路選用XTR115型二線制電流變送器，其管腳7為電源端，外接輸出電流環(huán)路中的直流電源US。在實(shí)際測(cè)量中，變送器通常在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，而US和負(fù)載電阻RL在遠(yuǎn)離測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的控制室，因此使用XTR115很容易實(shí)現(xiàn)安全火花防爆。

XTR115的管腳1為電橋提供+2.5 V的電源電壓，管腳8為AD8221提供+5 V的電源電壓，管腳3為+2.5 V基準(zhǔn)電壓源輸出電流ⅠREF和+5 V穩(wěn)壓器輸出電流ⅠREG的返回端，可作為輸入電路的公共地。

電路中C為降噪電容，VT為XTR115外接的NPN功率管，型號(hào)為2N4922。2N4922的發(fā)射極、基極、集電極分別接XTR115的管腳5、6、7，它與XTR115內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片的功耗。

當(dāng)懸臂梁受力撓曲時(shí)，電橋輸出的電壓信號(hào)首先經(jīng)儀表放大器放大成0.8～4 V的輸入電壓UI，再通過20 kΩ的輸入電阻RI轉(zhuǎn)換成40～200 μA的輸入電流ⅠI，最后經(jīng)XTR115放大100倍后獲得4～20 mA的直流電流信號(hào)ⅠO，由XTR115的管腳4輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的流量變送器基于節(jié)流原理，具有使用方便、適應(yīng)性好等特點(diǎn)。節(jié)流元件主要采用文丘里管，與孔板相比，其流阻更小、測(cè)量精度更高、使用壽命更長(zhǎng)。此外，無(wú)導(dǎo)壓管使其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)施工更容易;應(yīng)變式位移檢測(cè)放大器調(diào)校方便，電路簡(jiǎn)單。

本文設(shè)計(jì)的流量變送器不僅適用于小管徑和臟污流體的流量測(cè)量，如戶用熱量表的流量計(jì)和戶用燃?xì)獗淼?，而且在其他領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。這有待進(jìn)一步研究和積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而使該型流量變送器具有取代全部差壓變送器和大部分超聲波流量計(jì)的發(fā)展前景。

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