淮安金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
一、引言
傳統(tǒng)的靶式流量計一般是直接采用差壓變送器的力平衡機構(gòu)而設(shè)計的儀表,它的缺點是精度低,量程比小,并有力平衡機構(gòu)本身造成的缺陷,如零點易漂移,杠桿機構(gòu)可靠性差等。本文介紹一種基于應(yīng)變電橋的靶式流量計，就是將流體作用在靶子上的力使靶桿產(chǎn)生彎曲變形，通過靶桿上粘貼的應(yīng)變片所組成的應(yīng)變電橋電路將靶桿產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)換成電壓信號，此電壓信號與流量成對應(yīng)關(guān)系。因此通過檢測電橋輸出的電壓信號就可以達(dá)到測量液體的流速的目的。這種應(yīng)變靶式流量計具有結(jié)構(gòu)簡單靈敏度高等特點，采用應(yīng)變電橋的差動結(jié)構(gòu)還能減小環(huán)境溫度變化的影響和非線性誤差。
二、靶式流量計的原理
如圖1所示，靶式流量計在管道*安裝一個直徑比管徑小的圓盤，它像一個靶子被流動的液體沖擊，流體從靶子與管壁間的環(huán)行空間流過，流過截面突然變小，流速加快，使靶后壓力P2比靶前壓力P1小，靶的面積為A，則流體作用在靶上的力為
流量與作用在靶上的力的平方根成正比
式中：K1為流量系數(shù)，其值由實驗確定。
C1為由管徑D，靶徑d，流體密度ρ等常數(shù)確定。
三、差動電橋電路
由式（2）可知，液體的流量與靶子受到液體的沖擊力的平方根成正比，如果能測量出靶子受到的沖擊力，則可以測出液體的流量。如圖2所示，當(dāng)靶受到液體的沖擊力，靶桿產(chǎn)生彎曲變形，應(yīng)變片將產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變ε，應(yīng)變量的理論力學(xué)表達(dá)式為：
式中：L為液體的沖擊力F到應(yīng)變片中心的距離；b,h分別為靶桿橫截面的寬度、厚度；E為材料的彈性膜量。
受到液體的沖擊力F作用后，應(yīng)變片電阻變化率與應(yīng)變量的關(guān)系如下
式中：K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；R，△R分別為應(yīng)變片電阻及其變化量。
當(dāng)應(yīng)變電橋兩端的電源電壓U0時,電橋的輸出電壓為
若在靶桿上貼上四片*相同的應(yīng)變片，即R1=R2=R3=R4，由式（4），電橋輸出電壓
由式（3）、式（5）可以推出U與F的關(guān)系
還可以通過式（1）、式（6）導(dǎo)出流速Q(mào)與電橋輸出電壓△U的關(guān)系為
四、開方電路
由式（7）可知，流量Q與電橋的輸出電壓△U的平方根成正比，因此二者之間的關(guān)系是非線性的，這種非線性的關(guān)系對后面的檢測電路很不利，在此使用開方電路的非線性校正方法使二者變成線性正比的關(guān)系。具體電路如圖3所示。假設(shè)模擬乘法器的比例系數(shù)為K2則：
由式（8），式（9）可以推出△U與U2的關(guān)系為
由式（7）、式（10）可以得到流量Q與開方電路的輸出電壓的關(guān)系為
由上式可以發(fā)現(xiàn)流量與開方電路的輸出電壓之間是線性關(guān)系。
五、測量及顯示電路
測量及顯示電路采用的是ICL7106將上述開方電路輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過LCD顯示。ICL7106具有單電源供電、電壓范圍寬、低功耗、A/D轉(zhuǎn)換精度高、成本低等優(yōu)點，而且外圍電路簡單，能直接驅(qū)動3位半的LCD顯示器。
結(jié)論
應(yīng)變靶式流量計不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，測量范圍廣等特點，采用了應(yīng)變電橋和開方電路。應(yīng)變電橋的差動結(jié)構(gòu)減小了環(huán)境溫度變化的影響和非線性誤差，而開方電路的非線性校正，使得測量系統(tǒng)的測量誤差減小。
