金鼎仪表应变靶式流量计的原理及设计

淮安金鼎自动化仪表有限公司 ：姚佳明  

一、引言

二、靶式流量计的原理

如图1所示，靶式流量计在管道*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（2）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（4），电桥输出电压

由式（3）、式（5）可以推出U与F的关系

还可以通过式（1）、式（6）导出流速Q与电桥输出电压△U的关系为

四、开方电路

由式（7）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（8），式（9）可以推出△U与U₂的关系为

由式（7）、式（10）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。