基于動(dòng)節(jié)流流量計(jì)變送器的研究與設(shè)計(jì)

丁建梅，張祥兵，王 海

(1．東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040;2．上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436)

流量信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為信號(hào)傳送和信號(hào)接收處理兩部分，其中信號(hào)傳送部分包括變送器，所設(shè)計(jì)的變送器位于每戶的供熱管路上，而信號(hào)接收處理部分則位于樓道母表內(nèi)。整體系統(tǒng)如圖1所示。

目前，應(yīng)變式傳感器已成為應(yīng)用最為廣泛和最為成熟的傳感器［1］。在流量計(jì)的設(shè)計(jì)過程中，采用了電阻應(yīng)變式傳感器。而沒采用壓電式傳感器的原因是因?yàn)閴弘姴牧弦诮蛔兞Φ淖饔孟虏拍芙o測(cè)量電路一定大小的電流，這種工作機(jī)理適應(yīng)于測(cè)量動(dòng)態(tài)振蕩力、碰撞和高速壓縮/張力［2］;而流量計(jì)的流質(zhì)流動(dòng)平穩(wěn)，不能對(duì)傳感器施加交變力。

圖1 流量計(jì)數(shù)據(jù)采集方案Fig．1 Flow meter data collection solution

電阻應(yīng)變式傳感器轉(zhuǎn)換的基本原理如圖2所示。

圖2 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理Fig．2 The working principle of resistor strain sensor

1 電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

電阻應(yīng)變式傳感器的彈性敏感元件是直接感受被測(cè)量的，并以確切關(guān)系輸出物理量的器件，在文獻(xiàn)［3］中已經(jīng)給出了流量計(jì)力檢測(cè)敏感元件的3種不同方案。

1．1 轉(zhuǎn)換元件

電阻應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變計(jì)是通過感受彈性體表面應(yīng)變的變化使自身電阻發(fā)生變化，因此應(yīng)變計(jì)的“輸出”其實(shí)是電阻。將應(yīng)變計(jì)按電橋結(jié)構(gòu)連接，將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓瘯r(shí)，應(yīng)變計(jì)在電阻式應(yīng)變傳感器中起承上啟下的作用。

應(yīng)變計(jì)是基于應(yīng)變效應(yīng)制作的轉(zhuǎn)換元件。應(yīng)變效應(yīng)是指應(yīng)變計(jì)的電阻值隨著其發(fā)生變形而產(chǎn)生改變的現(xiàn)象。

應(yīng)變計(jì)一般由塑料薄膜(基盤)、金屬電阻片(敏感柵)和迭層薄膜(覆蓋層)組成，如圖3所示。

圖3 應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)Fig．3 The structure of strain gauge

經(jīng)過對(duì)比不同型號(hào)應(yīng)變計(jì)之間的差異，最終擇優(yōu)選擇了HBM公司生產(chǎn)的K-LY41-3/1000型應(yīng)變片，該應(yīng)變片的參數(shù)見表1。

應(yīng)變計(jì)的粘貼對(duì)其工作性能有著十分重要的影響，在選用粘合劑時(shí)應(yīng)考慮到粘合劑應(yīng)具有:較大的粘接強(qiáng)度、較好的溫度和濕度穩(wěn)定性、良好的耐疲勞性能、較小的蠕變和滯后性以及無毒無害等特點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)比各種粘接劑，最后選擇改性丙烯酸酯作為應(yīng)變計(jì)的粘接劑。

表1 K-LY41-3/1000應(yīng)變片參數(shù)Tab．1 K-LY41-3/1000 strain gauge parameters

1．2 基本轉(zhuǎn)換電路

惠斯通電橋由4個(gè)電阻 R1、R2、R3和 R4組成。a和b為輸入端，兩點(diǎn)之間的電壓為E;c和d為輸出端，根據(jù)電工學(xué)原理，c和d兩點(diǎn)之間的電壓U可由公式(1)算得:(如圖4所示)

圖4 惠斯通電橋Fig．4 The wheatstone bridge

從公式(1)可以看出，若要使輸出電壓U為零，則4個(gè)電阻必須滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即:

一般地，惠斯通電橋做成等臂形式，即R1=R3=R2=R4=R。由公式(1)可以看出，若4個(gè)電阻之一發(fā)生變化，平衡狀態(tài)下的電橋就變得不平衡了，輸出電壓U不再為零。設(shè)各個(gè)電阻均有變化，則電橋輸出為:

(1)惠斯通電橋輸出。當(dāng)電阻變化較小時(shí)，即ΔRi?R，則公式(3)可以轉(zhuǎn)變?yōu)?

對(duì)于應(yīng)變計(jì)，存在

式中:K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù);εi為各個(gè)應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變。

結(jié)合公式(4)和公式(5)，則有:

惠斯通電橋根據(jù)參與工作的橋臂數(shù)分為半橋和全橋兩大類，其中半橋又可分為半橋單臂和半橋雙臂。

半橋單臂，即R2為應(yīng)變片，其他為固定電阻，則公式(6)可以寫為:

半橋雙臂，即R1、R2為應(yīng)變片，其他為固定電阻，此時(shí)應(yīng)取ε1與ε2反向，則公式(6)可以寫為:

全橋，即各個(gè)電阻均為應(yīng)變片，且遵循變化符號(hào)相反的電阻聯(lián)入相鄰臂中、電阻變化相同的聯(lián)入相對(duì)臂中的規(guī)律，則公式(6)可以寫為:

在ΔRi?R的條件下，從公式(7)～公式(9)可以看出，惠斯通電橋的輸出與應(yīng)變計(jì)所受的應(yīng)變成正比。不同接法下，電橋的靈敏度不一樣，半橋雙臂是半橋單臂的兩倍，全橋是半橋雙臂的兩倍。另外激勵(lì)電壓也對(duì)惠斯通電橋的靈敏度產(chǎn)生一定的影響。在搭建基本轉(zhuǎn)換電路時(shí)，電橋靈敏度是一個(gè)重要的參數(shù)，一般地，盡量選擇較高的靈敏度傳感器。

(2)惠斯通電橋的非線性誤差。在小應(yīng)變下應(yīng)變片的線性度較好，但隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)變片阻值的變化與電橋的輸出并不成完全的線性關(guān)系。為了解決存在的非線性問題，需要對(duì)傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償。非線性補(bǔ)償方法分為兩類:硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。由于惠斯通電橋的信號(hào)極其微弱，導(dǎo)致后接的放大電路放大倍數(shù)極大，同時(shí)也就導(dǎo)致了非線性誤差被放大。所以在電橋部分就要考慮做硬件非線性補(bǔ)償，最后在數(shù)據(jù)處理階段也進(jìn)行非線性補(bǔ)償，這樣就能獲得更加真實(shí)、準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。

在公式(3)的推導(dǎo)過程中，假設(shè)ΔRi?R，從而舍棄了高階增量。若考慮高階增量，在半橋單臂情況下，惠斯通電橋的實(shí)際輸出為:

將公式(5)代入上式有:

則非線性誤差為:

在半橋雙臂情況下，由于ΔR1=-ΔR2，則實(shí)際輸出為:

則非線性誤差為:

同理，在全橋情況下，非線性誤差為:

從公式(13)～公式(15)可以看出，半橋單臂存在非線性誤差，而半橋雙臂和全橋則不存在非線性誤差。

另外，由于溫度的變化會(huì)使應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，即溫度的變化會(huì)帶來一定的虛假應(yīng)力［4-5］，所以需要對(duì)惠斯通電橋進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)于半橋單臂電路通常的做法是:在測(cè)量時(shí)選擇一塊與彈性元件相同材料的料塊，作為溫度補(bǔ)償塊，將工作應(yīng)變計(jì)相同型號(hào)的應(yīng)變計(jì)粘貼在表面，作為一臂接在惠斯通電橋中;對(duì)于半橋雙臂或者全橋電路，各個(gè)應(yīng)變計(jì)之間的溫度引起的電阻變化相同，對(duì)電橋的實(shí)際輸出沒有影響，所以可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

綜上所述，半橋雙臂和全橋電路不僅可以抑制電路的非線性誤差，還可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。在新型流量?jì)的制作過程中，考慮到彈性元件的外部形狀和應(yīng)變片的尺寸，選擇了半橋雙臂電路作為基本轉(zhuǎn)換電路。

(3)惠斯通電橋的供電電路。從公式(13)可以看出，半橋雙臂的輸出電壓U不僅受應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)K、彈性元件產(chǎn)生的變形ε影響，還受供電電壓E影響。供電電壓E的大小對(duì)輸出電壓U有直接影響，供電電壓E越大，電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度也就越大，但高電壓產(chǎn)生的熱量會(huì)影響惠斯通電橋的穩(wěn)定性;此外供電電壓E的品質(zhì)也直接影響了輸出電壓U的品質(zhì)，例如供電電壓的波動(dòng)和噪聲將會(huì)直接引起輸出電壓的波動(dòng)和噪聲。

在選擇電橋供電電壓時(shí)，考慮到高電壓能獲得較高的靈敏度、信噪比，但同時(shí)不至于影響電橋的穩(wěn)定性，將供電電壓確定在1．5～3V。考慮到V/I轉(zhuǎn)換電路使用的XTR106轉(zhuǎn)換芯片能夠提供精確的基準(zhǔn)電壓2．5V和5V，精度能到達(dá)±0．05%，因此不需要另外設(shè)計(jì)惠斯通電橋的供電電路，而直接使用XTR106芯片的2．5V基準(zhǔn)電壓，從而大大簡(jiǎn)化變送器的整體電路，提高系統(tǒng)的可靠性。

2 變送器電路

2．1 調(diào)零電路的設(shè)計(jì)

在惠斯通電橋輸出的推導(dǎo)過程中，假設(shè)R1=R3=R2=R4=R，得出初始狀態(tài)下電橋輸出為零。由于應(yīng)變計(jì)及配對(duì)電阻的制造、應(yīng)變計(jì)的粘貼等存在一定的差異，因此各個(gè)阻值不可能完全相同。實(shí)際阻值與理論值存在差距導(dǎo)致惠斯通電橋在零輸入的狀態(tài)下輸出不為零，所以需要對(duì)惠斯通電橋進(jìn)行調(diào)零處理。一般的惠斯通調(diào)零電路如圖5所示。

圖5 惠斯通電橋調(diào)零電路Fig．5 Zero wheatstone bridge circuit

電阻R6的取值按下面公式計(jì)算:

式中:RB為電橋阻抗，Ω;Vtrim為期望微調(diào)電壓范圍，V。

由于應(yīng)變片R1和R2電阻的阻值為1 000Ω，所以橋臂電阻R3和R4選擇的阻值為1 000Ω，精度為 ±0．1%;期望微調(diào)電壓范圍 Vtrim取0．01V，由公式(16)可以得到:

R5的阻值小于等于R6的阻值，所以在這里選擇R5為100kΩ的多圈可調(diào)電位器。

2．2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

惠斯通電橋的輸出電壓U為毫伏級(jí)，為了能夠提高信號(hào)的抗干擾能力，在前級(jí)對(duì)其進(jìn)行放大。本研究中信號(hào)放大電路由高精度運(yùn)算放大器電路組成，放大電路芯片采用OPA2277。該芯片是一款高精度運(yùn)算放大器［6］，其內(nèi)部包含兩塊運(yùn)算放大器，其特點(diǎn)有:超低的輸入失調(diào)電壓(10μV)、超低的溫度漂移(±0．1μV/℃)、極大的開環(huán)放大倍數(shù)(134dB)、高共模抑制比(140dB)、低偏置電流(最大1nA)、寬工作電壓(±2～±18V)、低靜態(tài)電流(1．6mA)。

由于集成在一塊硅片上，所以兩塊運(yùn)算放大器的性能差別很小。對(duì)于OPA2277的供電問題，可以采用XTR106的5．1V輸出電壓。在這一級(jí)使用兩個(gè)10kΩ和一個(gè)100Ω的高精密電阻組成前級(jí)放大電路，放大增益為200倍，信號(hào)放大電路如圖6所示。

圖6 信號(hào)放大電路Fig．6 Signal amplifying circuit

2．3 V/I轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

惠斯通電橋的電壓輸出信號(hào)經(jīng)放大后不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳遞，必須要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，在這里采用V/I轉(zhuǎn)換芯片，選用TI公司生產(chǎn)的XTR106。該款芯片是TI公司設(shè)計(jì)的一種低成本、單片4～20mA兩線制電流變送器，該芯片的主要特點(diǎn)有［7］:兩種高精度基準(zhǔn)電壓(2．5V和5V，精度為±0．05%)、一種穩(wěn)壓輸出(5．1V)、低溫度漂移(0．25μV/℃)、寬工作電壓(7．5 ～ 36V)、低噪聲等。該芯片的電流從IOUT腳輸出，輸出電流公式為:

式中:RG為滿量程調(diào)節(jié)電阻，Ω;VIN為差分輸入電壓，V。

由于XTR106欠量程輸出電流最大為2．5mA，且OPA2277的工作電流為1．6mA，那么通過電橋的電流最大為0．9mA。則電橋電路的總電阻為:

由于電橋的總阻抗約為1 000Ω，則電橋電路需要外接1 777Ω的電阻，選擇1 800Ω的高精度電阻，外接在惠斯通電橋的電流流出端，這樣還可以使得輸出的共模電壓范圍保持在1．1～3．5V，從而滿足了XTR106對(duì)信號(hào)共模輸入電壓的要求。計(jì)算的惠斯通電橋的激勵(lì)電壓為 0．886 5V。在1 500kg/h的流量下，應(yīng)變計(jì)變化約為100μξ，根據(jù)公式(13)可以估算出惠斯通電橋的最大輸出電壓約為88μV，經(jīng)信號(hào)放大電路200倍，輸入到XTR106的最大差分電壓為 17．6mV。令 IOUT=20mA，根據(jù)公式(17)可以算得滿量程調(diào)節(jié)電阻RG的大小:

那么調(diào)節(jié)電阻RG選用50Ω的可調(diào)電位器，V/I電路如圖7所示。最后將變送器制成實(shí)物，如圖8所示。

圖7 V/I轉(zhuǎn)換電路Fig．7 V/I circuit

圖8 變送器實(shí)物Fig．8 Real transmitter

3 流量計(jì)上變送器的實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證流量計(jì)上變送器的性能，采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。由于流量的變化較為緩慢，所以主要對(duì)流量計(jì)上變送器的靜態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試的性能主要包括滯差、重復(fù)性、線性度、靈敏度和穩(wěn)定性［8］。分別對(duì)安裝了不同檢測(cè)模塊的流量計(jì)進(jìn)行靜態(tài)性能測(cè)試［3］，選擇一種最優(yōu)的一種方案應(yīng)用于流量計(jì)，并對(duì)流量計(jì)的壓力損失特性進(jìn)行測(cè)試。最后將安裝了該種檢測(cè)模塊的流量計(jì)信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換，利用標(biāo)定平臺(tái)對(duì)變送器的轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定［8］。

3．1 流量標(biāo)定的器材

變送器感應(yīng)流量計(jì)應(yīng)變計(jì)阻值的變化，并將該變化轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流進(jìn)行信號(hào)的傳送。為了測(cè)得變送器輸出的信號(hào)，使用了一個(gè)250Ω的高精度電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。當(dāng)有一定水流流過流量計(jì)時(shí)，通過高精度電阻的電流就發(fā)生改變，這時(shí)使用63C7V電壓表測(cè)量高精度電阻兩端的電壓值就可以得到電流的大小。最后，通過記錄浮子流量計(jì)測(cè)得的流量對(duì)電阻兩端電壓值標(biāo)定，即完成了對(duì)流量計(jì)的標(biāo)定。對(duì)于變送器電路的供電系統(tǒng)，采用了MCS-51-96專用穩(wěn)壓電源，該電源可以給變送器提供24V直流電壓激勵(lì)。整個(gè)流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所需器材如圖9所示。

3．2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將帶有雙平行梁檢測(cè)模塊的流量計(jì)安裝在標(biāo)定平臺(tái)上，并把應(yīng)變計(jì)引線接到變送器的輸入端口。

(2)檢查有無泄漏情況。按照測(cè)試要求選擇各個(gè)閥門的狀態(tài)，開啟電源，使上溢流箱蓄滿水。開啟流量控制閥，使下溢流箱蓄滿水。

圖9 變送器流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig．9 Results of transmitter flow calibration test

(3)關(guān)閉流量控制閥，將變送器上的調(diào)量程電位器調(diào)至最大電阻位置，再調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使電壓表的顯示為1V。

(4)將流量控制閥開啟到最大位置，調(diào)節(jié)量程電位器，使得電壓表的顯示為5V;再關(guān)閉流量控制閥，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使得電壓表顯示為1V。

(5)對(duì)(4)進(jìn)行反復(fù)操作，最終使得無流量時(shí)電壓表顯示1V，流量最大時(shí)，電壓表顯示5V。

(6)調(diào)節(jié)控制閥的開口大小，記錄電壓表的顯示，并記錄浮子流量計(jì)顯示的流量值。

(7)記錄完數(shù)據(jù)之后關(guān)閉電源，將各個(gè)水箱中的水回流到水槽，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3．3 測(cè)試結(jié)果及分析

在同一流量下的變送器輸出求算術(shù)平均值，將算術(shù)平均值作為該流量下變送器輸出的真值，從而將算術(shù)平均值與流量一一對(duì)應(yīng)，如圖10(a)所示。用excel做出擬合曲線，從圖中可以看出擬合曲線可以很好地反映了流量計(jì)的輸入輸出關(guān)系?？梢岳脭M合曲線的方程作為推算流量的依據(jù)。現(xiàn)在需要計(jì)算該方程算出值與真值之間的誤差，這里還將真值取為算術(shù)平均值。真值與擬合曲線間的絕對(duì)誤差如圖10(b)所示。

從圖10可以看出，擬合曲線與真值點(diǎn)之間的最大絕對(duì)誤差為0．06V，因此可以計(jì)算得到最大引用誤差為1．5%，能達(dá)到工業(yè)等級(jí)1．5級(jí)，與靜態(tài)性能測(cè)試結(jié)果相符［3］。

圖10 變送器流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig．10 Transmitter flow calibration test

［1］李科杰．新編傳感器技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2002:397-410．

［2］威爾遜 J S．傳感器技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:人民郵電出版社，2009:335-393．

［3］張祥兵．新型中部通孔動(dòng)節(jié)流流量計(jì)及其實(shí)驗(yàn)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012．

［4］程曉曉．基于應(yīng)變片的動(dòng)平衡機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)［D］．重慶:重慶大學(xué)，2011．

［5］吉林工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)系，第一機(jī)械工業(yè)部農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院．應(yīng)變電測(cè)技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1978:2-9，28-33．

［6］ Burr-Brown，Inc．High precision operational amplifiers-OPA2277 datasheet［EB/OL］．http://www．datasheetcatalog．com/datasheets_pdf/O/P/A/2/OPA277．shtml

［7］ Texas Instruments，Inc．4-20mA Current Transmitter with Bridge Excitation And Linearization-XTR106 datasheet［EB/OLR］．http://www．datasheetcatalog．com/datasheets_pdf/X/T/R/1/XTR106．shtml

［8］連 迅．新型中部通孔動(dòng)節(jié)流流量計(jì)及其實(shí)驗(yàn)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011．