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一种涡轮流量计信号检出器的研制
发布日期:2019/11/9 10:51:04
一、涡轮流量计测量原理
水表和涡轮流量计是典型的叶轮式流量计。叶轮式流量计是应用流体动量矩原理测量流量的装置,在治金、石油、化工等领域得到广泛应用。研制
的涡轮式流量计工作原理是:将叶轮置于被测流体中,受流体流动的冲击而旋转,转速与管道平均流速成正比,即以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小:叶轮转动后,叶轮的叶片切割流量信号检出器发出的磁场,周期性地改变其磁阻值,信号检测器中的线圈,它的磁通也随之发生周期性变化,产生周期性的感应电势,即电脉冲信号,经信号检出器放大后,形成标准方波信号,直接送入二次仪表进行显示和计数。涡轮流量计一般由显示仪表和涡轮变送器构成。变送器主要由信号检出器、涡轮、轴和轴承组件、导流器和壳体等构成。信号检出器装配图见图
二、实用流量方程
涡轮流量计的流量方程有理论流量方程和实用流量方程。其中实用流量方程为体积流量(kg/s):Qv=F/K
质量流量(m/s):Q=QMQvp
其中,F一信号检出器输出信号的频率,单位:Hz;
K一仪表系数,单位:1/m³;
p一密度,单位:kg/m³。
目前未见到用理论公式推导出的K值,仍需由实际流量校验确定。K值的确定是有条件的。通常根据传感器类型、管道安装条件及流体物性参数等情況而定。通常要参比实际工作条件下,在流量校验装置上进行校验,根据输人流量和输出频卒脉冲信号确定K值的大小。使用时如偏离参比工作条件,K值可能发生变化
 
三、信号检出器的构成
信号检出器采用变磁阻式,它由线、导磁棒(铁芯、永久磁钢、放大器、売体等组成。一般常用的信号检出器,结构见图2所示。文中研制的信号检出器,在电路上进行了改进和整合,结构见图3。

1.永久磁钢
信号检出器中的磁钢材质选用铝镍钴。目前常见的磁铁材料根据其磁力大小排列为:钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钻磁铁、铁氧体磁铁。它是由铝、镍、钻、铁和其它微量金属元素构成的一种合金,烧结工艺或铸造工艺都可以加工生产成不同的尺寸和形状,可加工性很好,工作温度可高达600℃以上,非常适合于用在信号检出器中永久磁钢对叶片有吸引力,会产生磁阻力矩。小日径传感器在小流量时,磁阻力矩在诸阻力矩(叶轮的惯性矩、流体驱动力矩、粘性阻力矩、轴承摩擦阻力、磁阻力矩等)中成为主要影响因素。为降低磁阻力矩输出,需要根据口径大小选择永久磁钢的规格。
2、线圈
信号检出器中的线圈骨架材质,选用聚醚砜树脂。它具有优良的耐热性能、物理机械性能、绝缘性能、与环氧树脂粘结性好等优点。其突出优点是在温度急刷变化的环境中仍能保持性能稳定信号检出器线圈骨架尺寸见图4。

环绕在骨架上的漆包线,规格为0.06mm,匝数3600,采用分层平绕方法绕制
3、放大器
(1)运算放大芯片
线圈感应得到的信号一般较小,不规则,需配置运算放大器,经其放大、整形后,才能输出满足二次仪表需要的、标准的、幅值较大的电脉冲信号.信号检出器中的运算放大器,采用美国TI公司的低功耗运算放大器芯片。它的特点是:输入阻抗高达1012kΩ,而输入失调电压仅为0.1uV/V兼有低位移电流、优越的共模抑制比,并具有许多与双级技术相关的性能,单电源,3V电压就能正常工作。常用于传感器接口、生物电信号的检测,以及各种需要电池供电的仪器设备。
(2)放大器电路
图5为放大器电路。它由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6,电容C1、C2、C3和运算放大芯片组成,电路的输入接线圈的引出线。电路中的R2是运算放大器的反馈电阻,R5和R6。构成运放的偏置电路。C1~C3作用是:抑制尖脉冲和各种噪声干扰,增强系统抗干扰能力,电路采用正反馈设计,是基于正反馈增益提高原理。电路中的信号从同相输入端输入,输出与输入同相,因此放大器必须有一输入端与地相连。由于引入了正反馈,电路的实际作用等同于史密特触发器。电路的输入波形见图6,输出波形见图7
电路中的反馈电阻R2,阻值选1MΩ左右,能够使信号检出器具有较高的灵敏度,R2不能取值过大否则,当叶轮的叶片恰好停在信号检出器有效的检测
范围内时,叶轮流量计受到震动,可能引起叶片与信号检出器产生较小的相对位移,此时无流体通过信号检出器,也会输出信号,导致显示仪表误计数,造成累计流量不准。电路中C1的主要作用是吸收叶轮式流量计受震动而产生的脉冲信号。C1取值一般在1F左右,就能满足要求。在特殊的情況下,C1取值可调大但要小于4.7uF,过大会春噬有效信号
4、壳体封装
信号检出器的制作,对壳体的封装质量要求较高。为确保其具有良好的抗震和抗干扰能力,除了在灌封工艺上要保证外,灌封胶的选料尤为重要。低劣的灌封胶,低劣的灌封,直接影响信号检出器的性能和使用寿命。文中推荐用灌封胶封装,它具有粘附力好、防震、吸振性能优异的特点,在固化时不产生任何低分子有害物质,深度再大也能完全固化,耐温可达-60°C~+300°C。
 
四、测试
在流量校验裝置上,用同一个涡轮流量传感器分别对两个(下面称1号和2号)信号检出器进行测试比较,其结果见表1、表2。
根据表1和表2两个信号检出器测试数据,计算流量计的重复性,满足国家涡轮流量计检定规程要求(重复性不得超过相应准确度等级规定的ZUI大允许误差绝对值的1/3),信号检出器的技术指标一致性较好,适合互换及批量生产
 
五、结论
涡轮流量计信号检出器,采取无孔洞缝隙、无可动部件设计,抗振动,不受温度、压力的影响,安全防爆,无磨损,无须机械维修,使用寿命长。采用微功耗运算放大器,输出的是标准的脉冲信号,无须再对信号进行处理,可直接送入二次仪表,特别适应于电池供电的、现场显示型的涡轮流量计。结构简单,成本低,易生产。
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