应变靶式流量计的误差分析与对策

　　0　引言

　　靶式流量计是60年代为解决工业生产中高粘度、低雷诺数流量测量问题而发展起来的一种流量计。它具有安装维护方便、不易堵塞等特点。除了可以测量液体、气体和蒸汽流量外,尤其可用来测量低雷诺数、含固体颗粒的浆液以及腐蚀性介质的流量,靶式流量计较差压式流量计更适合于检测粘稠介质(如重油、焦油等)的流量。

　　传统的靶式流量计分电动和气动两种。其原理是:当流体流经仪表时,检测部分中的圆形靶就感受到由流体动能转换成的冲击力,该力与流体的流量成比例。对于电动靶式流量计,这个力推动一套杠杆机构,使铝检测片接近平面检测线圈,引起电感量的变化,再通过高频放大器输出一个与流量成比例的直流电流信号;气动靶式流量计通过一套杠杆机构将冲击力转换成一个气信号输出。传统靶式流量计都存在机械结构复杂、灵敏度低、量程范围窄等缺点。

　　新型的应变靶式流量计是在靶杆的另一端贴上一组应变片(见图1、图2和图3),当流体冲击靶片时,靶杆弹性变形,从而在应变电桥输出端得到与冲击力成正比的电压信号。与传统靶式流量计相比,应变靶式流量计机械结构非常简单,无须任何机械调零装置;而且我们采用了专利技术,去掉了管道与靶杆相连的密封膜片,这样在保证流体与电路隔绝的基础上,大大提高了靶杆的变形量,与国内同类产品相比,仪表的灵敏度和量程比有了很大的提高。

　　1　应变靶式流量计的工作原理

　　如图1所示,靶式流量计的测量元件是一个放在管道中心的圆形靶。流体流动时冲击靶片,使靶受到一个合力的作用,这个合力一般由三种力组成:流体动压力、流体压力差及粘滞磨擦力。流量较大时,前两种力起主导作用,它与流体流速v的平方、流体密度ρ及靶的受力面的面积A成正比。即:

　　式中:F为靶所受到的力;A为靶的迎流面积(A=πd²/4,d为靶径);-v为靶和环流面间的平均流速;ρ为流体密度;k为阻力系数。

　　由上式可得:

　　式中:k1为常系数;D为传感器内壁直径;β为靶径比,β=d/D;Kα为流量系数,。

　　Kα与靶尺寸和雷诺数Re有关,而Re与流量、靶的几何尺寸、运动粘度有关。靶式流量计(圆管)在Re大于2 030时,Kα为常数(Re>Reg,Reg为界限雷诺数)。

　　传感器的转换单元是贴在靶杆另一端的4片应变片组成的应变电桥(见图2),当靶受力F作用时,靶杆产生弯曲变形,应变片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为载荷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为材料的弹性模量;σ,ε分别为平均应力和应变。