靶式流量变送器

      1 分析

      靶式流量计主要用于测量高粘度、低雷诺数流体以及含适量固体颗粒的浆液的流量。它的检测部分是一个放在管道中的圆形靶，当流体流动时，流动介质冲击靶片如图1所示，使靶受到三部分力的作用：

      （1）流体对靶的直接冲击力，即流体的动压力；
      （2）流体冲击靶面，在靶的后方产生死水区，因此在靶前后产生静压差；
      （3）由于流体的粘性，对靶产生一个摩擦力。其主要受力取决于静、动压力，令其合力为F。根据伯努力方程得：

      则

      式中：ρ为流体密度；v为流体的特征速度（取环形面积处的平均速度）；A为靶面积；K为比例常数。

      又质量流量

      式中：S为环形截面积，S=π/4（D²- d²）；D为管道内径。

      由于（1）（2）可得流体体积流量

      靶式流量计将靶受力产生的位移转换为电部分是通过螺管式差动变压器来实现的。当初始状态时，如图2所示，差动变送器的衔铁处于螺管的中心位置，两个次级线圈2和同初级线圈1的互感M₁、M₂相等，由于差动变压器两次级线圈差动相接，又与初级线圈产生的感应电势相同，因此次级差动变压器的铁芯运动时，使变压器互感系数发生变化，从而使两次级线圈产生的感应电动势不等，使得差动输出电压不为零，且衔铁位移越大，输出电压幅值越大，衔铁位移的方向决定了输出电压的相位。基于此原理可以间接测得流体在某时刻的流速。

      2 硬件电路设计

      变送器部分电路主要由信号发生模块、模拟信号放大模块、AC/DC转换模块、压流转换模块组成，原理如图3。最终将靶片受力所产生的位移信号转换成4~20mA输出，并送入二次仪表中单片机的A/D接口，通过软件对其进行线性修正、上下线切除以及补偿等处理，将最后的瞬时流量、累计流量、温度、频率和压力显示的液晶屏上。

      （1）信号发生模块是由7660和8038组成，8038是一个波形发生器，只需要加小部分的外围电路就能产生方波，正弦波和三角波，波的频率是由R₁、R₂及C₃控制，当满足R₁=R₂=R时，f=0.33/Rc，本电路用一个频率为3.3kHz幅值为2.2V的正弦波，作为差动变压器的激励信号。

      （2）由于芯片8038产生的正弦波中含有直流分量，将会增加整个电路的功耗，因此在信号输出端须加上一个隔直电容，再经过158差分放大，为差动变压器原边提供了一个的交流激励信号。改变差动变压器衔铁的位置，其副边正弦信号的幅值也随之变化，因此通过桥式整流和低通滤波变成一个值可变的直流电压信号。

      （3）考虑到二次仪表与现场的距离，为达到信号远传的目的，用AM402把电压信号转变成4~20mA电流值传输到二次表进行处理。

      （4）根据电流的输出端的不同，可以将电路分成两线制和三线制。本电路采用两线制接法。AM402可以接收差模信号或单端对地的信号。但输入的端口不一样，从402的7脚输入单端对地信号，通过调节8脚和9脚之间的滑动变阻器VR2使得输出电流为4mA。再调节输入端滑动变阻器VR1使电流值达到20mA，此时下限值可能会有所增大，再重新调节VR2，这样反复调节最终得到4~20mA电流输出。

      （5）差动变压器存在零位输出电压，会影响电路正常工作，但通过加补偿电路的方法，基本可以满足要求， 由于差动变压器结构，衔铁的位移量跟输出电压的幅值在大范围内不成线性，但在2mm内可近似为线性，此种靶式流量计用来测小流量的液体，经估计靶的移动范围不超过2mm，因此不会引起大的误差。

      （6）差动变压器的激励频率对其灵敏度、线性、衔铁运动的可测频率都有关系，激励频率选的过高或过低都将影响他的性能，常选用频率400Hz~10kHz，综合各种因素，选择频率3.3kHz。

      （7）二次显示仪表是采用单片微机技术设计的，他能对蒸汽、气体、液体的流量进行显示、积算，并配以压力、温度变送器，能对流体的密度因压力、温度变化而引起的测量误差进行补偿修正，当密度发生变化时，他的修正关系式为：

      （8）将模拟电路电源与数字电路电源通过DC/DC隔离，通讯模块与主电路之间的信号通过光电隔离器耦合，供电电源与地之间用一个大电容隔开，这样可有效地抑制干扰。

      这种靶式流量计传感器的硬件电路设计简单，可靠，测量范围广，再配合软件进行实时的补偿和修正，可以大大的提高测量准确度。在测量高粘度流体中表现出明显的优势，该表也可以用来测量气体和蒸汽的流量，具有很高的应用价值。

      参考文献

      1 梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表.北京：机械工业出版社，2002.5
      2 杨宝清.现代传感器技术基础.中国铁道出版社，2001