新型电容式靶式流量计的设计

　　靶式流量计是20世纪60年代为满足石油流量计量的高要求而发展起来的一种流量计.它主要用于测量高粘度、低雷诺数、含固体颗粒的浆液以及腐蚀性介质的流量,此外也可以测量一般的液体、气体和蒸汽的流量.具有结构简单、安装简便、极易维护、不易堵塞等特点[1],而且不受流体的物理性质影响[2],被广泛应用于工业生产、石油化工、环境保护、现代农业、水利建设等领域.

　　靶式流量计的关键技术是力的转换方式[3],即传感器的结构如何将靶所受到的冲击力转换为与之有确定对应关系的、更便于应用的物理量.传统的靶式流量计主要有电动式和气动式两种[4],其缺点十分明显:机械结构较复杂、灵敏度低、量程范围窄,早已不符合高精度测量的要求[5].近年来,应用较为广泛的主要有应变式靶式流量计和电容式靶式流量计.应变式的结构相对简单,仪表的灵敏度和量程比都有所提高,但是对应变片的粘贴加工要求很高,而且应变片直接贴在弹性体上,容易受介质温度变化影响而产生温漂,造成较大计量误差.然而,电容式靶式流量计的核心元件是一片固定不动的定电极和一个随靶杆上的弹性管摆动的动电极组成的电容传感器,当靶杆受力时,动电极随弹性管产生微小偏移,电容极间距改变,相应的电容值也随之变化,从而间接实现了靶杆所受力和电容值的转换.电容式靶式流量计在准确度和抗干扰能力上都有所提高,但也存在不少问题,譬如:在大量程下,检测输出与被检测的力之间具有较为严重的非线性关系,从而造成了较大的测量误差.但是,电容结构拥有温度稳定性好、灵敏度高、分辨力强等优越特性,因此电容式将会是靶式流量计今后发展的一个重要方向.

　　本文介绍的新型电容式靶式流量计采用差动电容结构,其机械结构十分简单,仪表的灵敏度和量程比都有所提高.该流量计不但发挥了电容式传感器特有的精度高、温度稳定性好、抗干扰能力强等技术优势,而且较普通的电容式靶式流量计灵敏度更高,分辨力更强,可以实现高精度、高稳定性的流量测量,其发展潜力巨大.

　　1　电容式靶式流量计的工作原理

　　电容式靶式流量计的传感器由力产生装置和力转换单元两部分组成.图1为传感器的结构图.

　　传感器的力产生装置即测量元件,是一个放在管道中心的圆形靶,流体流动时冲击到靶上,使靶面受力并产生相应的微小位移.靶所受的作用力与流体流速的平方、流体密度及靶的受力面的面积成正比[6].即:

　　式(1)中:F—圆形靶所受到的力;k—阻力系数;ρ—流体密度;u—靶和管壁间环流面的平均流速;A—靶的迎流面积(A =πd2/4,d为靶径).