一種中部通孔動節(jié)流元件的流量變送器

王可崇 劉曼蘭

(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院1，黑龍江 哈爾濱 150001;哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院2，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

目前，基于節(jié)流原理的流量測量仍被廣泛應用，其原因在于節(jié)流式流量計使用方便、適應性好，不像渦街流量計易受外界測量條件影響［1-2］。節(jié)流式流量計中，差壓式流量計使用固定式節(jié)流元件，靶式和轉(zhuǎn)子流量計使用動節(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)子流量計的動節(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)流元件與差壓計間需設導壓管，故不適合小管徑和臟污流體的流量測量。

與靶式或轉(zhuǎn)子流量計不同，本文設計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節(jié)流元件，將被測流量轉(zhuǎn)換為流體作用在動節(jié)流元件上的推力，無需導壓管。

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節(jié)流元件測量裝置與應變式位移檢測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]到測量推力比測量壓差更直接，且無需導壓管，因而使用動節(jié)流元件比固定式節(jié)流元件更有優(yōu)勢。

由于沒有導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］，本文設計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)代流量計要求流動損失小的發(fā)展趨勢。

使用文丘里管時，流體中的污物不會像孔板那樣在前方堆積，流量變送器既不存在導壓管堵塞問題，也不易堵塞主管道，因而適用于測量臟污流體。研制該流量變送器的初衷是為小口徑的戶用型熱計量表設計一款合用的流量計，但很明顯，它也可用于許多其他場合。

在測量裝置中，動節(jié)流元件采用文丘里管，其兩端各配接一個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泄漏的流動通道。

金屬彈性膜片既有隔離被測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的功能。機殼架與前、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，反饋動圈固定安裝在杠桿上端，并處于永久磁鋼的磁場中。應變片粘貼在一個剛度系數(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。

需要說明的是，為了以較小的撓度獲得要求的應變值，懸臂梁應有相當?shù)暮穸龋@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彈性材料或使用其他結(jié)構(gòu)型式的彈性元件。當流量增大時，流體對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，其上的應變片產(chǎn)生相應的差動電阻變化。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載電阻RL的同時，還流過反饋動圈，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)流過負載電阻RL的輸出電流值即可得到被測流量的大小。

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

圖2 應變式位移檢測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

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

應變式位移檢測元件包括檢測懸臂梁與粘貼在其上的應變片。電橋?qū)兤娮枳兓D(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)換為整個變送器輸出的直流電流信號Ⅰ，電流信號Ⅰ又同時流過固定在杠桿上的反饋動圈，產(chǎn)生電磁反饋力f2。被測量的輸入力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，該形變又使應變片產(chǎn)生相應的電阻變化。

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

式中:k1、k2、k3、k5、k6、k8為閉環(huán)系統(tǒng)相應環(huán)節(jié)的比例系數(shù);Ⅰ為變送器電流輸出信號，mA;f1為被測量的輸入力，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)，無量綱;β為電磁反饋裝置的反饋系數(shù)，N/mA。由于k4應設計得比較小，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)，而與應變式位移檢測放大器各環(huán)節(jié)比例系數(shù)的穩(wěn)定性無關(guān)。因此，放大器可使用相對便宜的元器件。

在測量流量時，f1與流量Q具有確定的對應關(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Ⅰ與被測流量Q之間有確定的函數(shù)關(guān)系。

2 中部通孔的動節(jié)流元件測量裝置

圖1中，杠桿下部安裝有一個傳動叉，叉兩端各有一開口槽，文丘里管上的兩個圓柱銷置于開口槽內(nèi)，開口槽與圓柱銷組成移動副，可將文丘里管的軸向運動轉(zhuǎn)變?yōu)楦軛U的轉(zhuǎn)動。杠桿上部與檢測懸臂梁接觸，梁上的應變片將杠桿上部位移轉(zhuǎn)換為對應的電信號。

作用在文丘里管上的推力f1與被測流量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就只需考慮靜壓能。根據(jù)流體力學原理，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算不同，文丘里管是整體移動的，其有效橫截面積不必考慮邊緣效應，直接按幾何尺寸計算即可。

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，適當選擇彈性膜片的有效面積，則流體壓差在兩個彈性膜片上產(chǎn)生的額外推力將抵消兩個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，流體對文丘里管的推力f1主要由電磁反饋力f2平衡，兩個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)，可得被測流量 Q的表達式為:

式中:Q為被測流體的體積流量，m3/s;C為流量系數(shù)，m3·N2·s-1。當被測流體各項參數(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ξ不能通過理論推導獲得，只能對流量計進行試驗標定來確定C值。

圖1中，動節(jié)流元件的測量裝置僅適用于測量比較清潔的液體與氣體，若在文丘里管前后各加裝一個簡單的防堵塞元件，則該裝置即可勝任臟污流體的流量測量。在此，為使畫面更簡明，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，當前向通道放大倍數(shù)足夠大時，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)零點和調(diào)量程的裝置均應設置在杠桿和電磁反饋裝置上。

零點調(diào)節(jié)通過調(diào)整杠桿上的調(diào)零彈簧(圖2中未畫出)實現(xiàn)，從而使流量在測量下限時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實現(xiàn)。

本文作者自制了一個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］，并在實驗室里做了試驗標定［6］。試驗標定后，用方程Ⅰ=aQb對輸入輸出試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，擬合曲線接近于二次曲線。

進行試驗標定時，在常用流量1.2 m3/h的標定流量點上，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的單杠桿，而不必像DDZ-Ⅲ型差壓變送器那樣采用復雜的雙杠桿與矢量機構(gòu)［7］。

力平衡式變送器中的應變式位移檢測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 應變式位移檢測放大器電路圖Fig.3 Circuit of the amplifier for strain displacement detection

在應變式位移檢測元件中，將應變片R2、R3粘貼在懸臂梁正應變區(qū)，應變片R1、R4粘貼在負應變區(qū)。對于位移檢測放大器，其只要求放大倍數(shù)比較高，因此，為降低造價，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設計得足夠小即可。這樣，很小的差值力Δf就能使應變片產(chǎn)生足夠的ΔR。顯然，Δf相對于f1和f2越小，變送器測量精度就越高。

同樣地，電壓放大器選用低價格的儀表放大器AD8221。AD8221的輸出電壓UI取決于其放大倍數(shù)和電橋中應變片的ΔR，改變RG就可以調(diào)整其放大倍數(shù)，進而使得應變片的ΔR能夠在某個應變值下(設計時應確保該值始終小于該應變片的極限應變)，將UI達到后續(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。在實際測量中，變送器通常在測量現(xiàn)場，而US和負載電阻RL在遠離測量現(xiàn)場的控制室，因此使用XTR115很容易實現(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。

當懸臂梁受力撓曲時，電橋輸出的電壓信號首先經(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ⅠO，由XTR115的管腳4輸出。

4 結(jié)束語

本文設計的流量變送器基于節(jié)流原理，具有使用方便、適應性好等特點。節(jié)流元件主要采用文丘里管，與孔板相比，其流阻更小、測量精度更高、使用壽命更長。此外，無導壓管使其結(jié)構(gòu)更簡單，現(xiàn)場施工更容易;應變式位移檢測放大器調(diào)校方便，電路簡單。

本文設計的流量變送器不僅適用于小管徑和臟污流體的流量測量，如戶用熱量表的流量計和戶用燃氣表等，而且在其他領(lǐng)域也有廣泛的應用。這有待進一步研究和積累試驗數(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的發(fā)展前景。

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