应变靶式流量计的工作原理

作者:日新流量 来源:www.rixinflow.com 发表时间:2015-09-09 阅读:1039次

传统的靶式流量计一般是直接采用差压变送器的力平衡机构而设计的仪表,它的缺点是精度低,量程比小,并有力平衡机构本身造成的缺陷,如零点易漂移,杠杆机构可靠性差等。本文介绍一种基于应变电桥的靶式流量计,就是将流体作用在靶子上的力使靶杆产生弯曲变形,通过靶杆上粘贴的应变片所组成的应变电桥电路将靶杆产生的形变转换成电压信号,此电压信号与流量成对应关系。因此通过检测电桥输出的电压信号就可以达到测量液体的流速的目的。这种应变靶式流量计具有结构简单灵敏度高等特点,采用应变电桥的差动结构还能减小环境温度变化的影响和非线性误差。

二、靶式流量计的原理

如图1所示,靶式流量计在管道中央安装一个直径比管径小的圆盘,它像一个靶子被流动的液体冲击,流体从靶子与管壁间的环行空间流过,流过截面突然变小,流速加快,使靶后压力P2比靶前压力P1小,靶的面积为A,则流体作用在靶上的力为


流量与作用在靶上的力的平方根成正比


式中:K1为流量系数,其值由实验确定。


C1为由管径D,靶径d,流体密度ρ等常数确定。

三、差动电桥电路

由式可知,液体的流量与靶子受到液体的冲击力的平方根成正比,如果能测量出靶子受到的冲击力,则可以测出液体的流量。如图2所示,当靶受到液体的冲击力,靶杆产生弯曲变形,应变片将产生拉伸或压缩应变ε,应变量的理论力学表达式为:



式中:L为液体的冲击力F到应变片中心的距离;b,h分别为靶杆横截面的宽度、厚度;E为材料的弹性膜量。

受到液体的冲击力F作用后,应变片电阻变化率与应变量的关系如下



式中:K为应变片灵敏度系数;R,△R分别为应变片电阻及其变化量。

当应变电桥两端的电源电压U0时,电桥的输出电压为



若在靶杆上贴上四片完全相同的应变片,即R1=R2=R3=R4,由式,电桥输出电压



由式可以推出U与F的关系



还可以通过式导出流速Q与电桥输出电压△U的关系为



四、开方电路

由式可知,流量Q与电桥的输出电压△U的平方根成正比,因此二者之间的关系是非线性的,这种非线性的关系对后面的检测电路很不利,在此使用开方电路的非线性校正方法使二者变成线性正比的关系。具体电路如图3所示。假设模拟乘法器的比例系数为K2则:



由式可以推出△U与U2的关系为



由式可以得到流量Q与开方电路的输出电压的关系为



由上式可以发现流量与开方电路的输出电压之间是线性关系。

五、测量及显示电路

测量及显示电路采用的是ICL7106将上述开方电路输出电压进行A/D转换,从而实现模拟量到数字量的转换,将转换结果通过LCD显示。ICL7106具有单电源供电、电压范围宽、低功耗、A/D转换精度高、成本低等优点,而且外围电路简单,能直接驱动3位半的LCD显示器。



结论

应变靶式流量计不仅具有结构简单,灵敏度高,测量范围广等特点,采用了应变电桥和开方电路。应变电桥的差动结构减小了环境温度变化的影响和非线性误差,而开方电路的非线性校正,使得测量系统的测量误差减小。

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