浮子流量检测技术的研究

    0　引言

    流量的精确测量在节能降耗、经济核算、自动控制等方面有着广泛的应用。在中小流速流量测量中,浮子流量计起着非常重要的作用。浮子流量计测量的关键在于对浮子位置的精确测量。

    目前在国内用于微小流量测量的浮子流量计的引进产品和国产产品中,大多采用凸轮机械结构进行流量计算。该方式存在机械磨损、精度低和迟滞等缺点,使微小流量信号测量的误差较大。

    本文研究一种适用于微小流体信号检测的浮子流量计,该流量计基于差动变压器式位移传感器原理,通过浮子内嵌的衔铁,把浮子位移的变化通过互感转变为电压变化,从而准确的反映被测液体的流速。

    1　物理模型的构建

    浮子流量检测的物理模型如图1所示,该模型由由一个锥形管,和一个浮子(内嵌衔铁)组成。浮子内嵌于锥形管中。被测流体流量的大小是由浮子相对于锥管发生的位移变化的数值来反映的。

    根据流量公式的推导,可得容积流量公式为:

    其中,Q,Ψ,D₀,h,α,V_x,P_x,P,g,S_X分别为被测流体的容积流量;转子流量计的流量系数;标尺零点处锥形管直径;转子高度;锥形管锥半角;转子体积;转子材料密度;被测液体密度;重力加速度值;转子垂直于流向的最大横截面积。

    从公式(1)可见,对于选定的浮子传感器,用于测量某特定液体时,浮子材料、尺寸、锥形管的锥度、液体密度确定,即D0,α,V_x,P_x,P,S_x为常数,则实现流量测量的精度取决于对浮子高度的准确测量。

    2　浮子位移高度检测原理

    图2给出了浮子流量传感器的位移检测结构图。图中其内部为由锥形管和内嵌衔铁的浮子组成的浮子流量计,外部为由初级线圈,次级线圈1和次级线圈2组成差动的变压器,内嵌衔铁的浮子即作为差动变压器的铁芯。

    浮子位移高度的检测原理:差动变压器的初级线圈接入激励电源,次级即为感应线圈。初、次级之间的互感随铁芯移动做相应变化。当有液体流过传感器时,物理模型中的浮子产生高度位移,变压器的磁场发生改变,两个次极线圈的互感同时发生变化,变压器的次级线圈的输出电压将做相应变化。

    在理想情况下,即忽略线圈的寄生电容和衔铁损耗,差动变压器的等效电路如图3所示。

    根据变压器原理,可以得出初级线圈电流.I>为

    式中.₁为初级线圈所加的电压;L₁,r₁为初级线圈的电感和电阻。则次级线圈的感应电动势.₂₁,.₂₂及输出电动势.₂分别为: