冲板式固体流量计

    在工业生产中，液位、压力、流量与温度统称四大热工工艺参数。固体物料种类繁多，物理特性差异很大，对其流量的测量与气体和液体相比是相对困难的，测量手段和方法较少，一直是测量领域的难题，常用方法主要有电子皮带称、电子核子称、冲板式流量计等，但普遍测量精度较低，相对而言冲板式流量计测量机理科学，理论依据充分，结构简单，传统冲板式流量计测量精度低的主要原因是传感器和测量电路部分不够先进。为适应工业生产中对固体物料计量大流量高精度的要求，对其进行技术改造是很有必要的。

    1 冲板流量计的测量机理

    当物料从高度为h处，以自由下落方式冲击冲击板时，有冲击力F1

       （1）

    F1可以分解为一个重力Fp和一个水平分力Fm。

      （2）

式中：Fm为物料落在冲击板的水平分力；m为物料的质量；g为自由落体加速度；α为落料角；β为冲击板与水平面夹角；h为垂直距离。

    从式（2）看出，流量计制造安装完成后α，β，h均为常数，Fm与流量成正比并且线性，其大小不受被测物料的（如密度、粒度、湿度）等因素变化的影响，是散状固体物料在连续动态在线测量***为理想的测量方法，测量水平分力是为了减少因常时间使用冲击板磨损重量减轻对测量精度影响。

图1　冲板流量计工作原理图

    2　冲板流量计的结构及工作原理

    传统冲板流量计由机械测量机构和变送器两部分组成。机械测量机构由冲击板、浮动框架、测力弹簧和差动变压器传感器组成，冲板受到被测物料冲击击时，垂直分力Fp被装置刚性结构完全平衡掉。其水平分力Fm带动浮动框架摆一个距离，此距离的大小与测力弹簧的弹性模量有关，弹簧的弹性模量由公式计算所得，此距离通常在2mm左右。为增加过载能力，装置内装有硅油阻尼筒，为使机构稳定，还加有重锤平衡机构。

    变送器采用的是差动变压器作为传感器，被测物料冲击到冲击板上，水平分力Fm使浮动框架摆动带动差动变压器的磁芯左右移动，当磁芯偏移对称位置时，差动变压器有毫伏正弦波电压信号输出。变送器包括震荡、稳幅、放大、检波、滤波和V/F转换电路组成，***终把差动变压器的测量信号转变为抗干扰的电流脉冲信号，通过两线制线路输送给脉冲频率调制器，经过脉冲频率调制器解调，将频率信号输送给测控显示仪表，经测控显示仪表运算处理，可获得固体物料瞬时流量对应的4～20mA电流信号给调节器进行PID调节。

    3 冲板流量计技术改进的必要性

    传统冲板流量计是原联邦德国倍加福（E+H）公司20世纪80年代初发明的，受当时技术条件限制，传感器采用的是差动变压器，变送器采用的是常规仪表电路，电路转换次数太多，线性度和精度都不高。机械测量机构动作部件多，极易造成磨损，给维修和使用带来很大不便，另一个主要原因，倍加福（E+H）公司已不再生产固体物料冲板流量计了，已将该专利转让给美国拉姆齐公司，这就造成国内一些用户无处购买配件的尴尬境地。有必要对传统冲板流量计进行技术更新。

    4 流量计技术改造方案

    随着科学技术的发展，新型传感器和大规模集成电路的出现，尤其是单片机体积越来越小，计算速度越来越快，储存容量越来越大。利用芯片技术对传统的常规仪表进行升级和换代，使其具有数据处理、显示、存储及通信等功能，成为智能化仪表，传统仪表的智能化已成为必然趋势，国内在冲板流量计智能化方面的研究，远不如电子皮带称和电子核子称，不能适应工业生产对计量装置智能化、高精度和多功能的要求。

    改造后冲板流量计由传感器、测量机构、二次仪表（积算仪）三部分组成。

    4.1 传感器

    传感器采用技术成熟，精度高，成本低，应用广泛的应变式称重传感器，其主要特点，结构简单紧凑，体积小，过载能力大，测量精度高。安装形式如图2、图3所示。

图2　正视图

    4.2　测量机构

    测量机构由冲击板和立轴（焊接成一体）及上下支点组成，称重传感器安装冲击板后面见图3。被测物料冲击到冲板上，冲击力可分解为一个水平分力Fm和垂直分力Fp。其中垂直力Fp，被上下支点产生的反作用力完全抵消。而水平分力Fm使冲击板以上下支点为中心，向后发生水平方向旋转。利用称重传感器把水平分力Fm转换成电信号。

图3　侧视图

    4.3　二次仪表

    称重传感器可将作用于冲击板上的固体物料水平分力Fm变为线性的毫伏电压输出。经由低漂移的仪用直流放大器放大至A/D转换器所需的电压幅度，再通过高精度A/D转换将模拟电压变换成相应的数字量，由CPU进行运算处理，***后在LCD上将固体物料的瞬时流量和累积流量显示出来，输出的4～20mA信号可以控制给料机进行PID调节。

    4.3.1　二次仪表功能

    二次仪表的主要功能包括控制冲板流量计工作状态和设定参数；测皮重和去皮；计算瞬时流量和累积量；显示测量数据；自动报警；4～20mA信号输出；仪表具有自检；断电保护；与上位计算机通信等功能。

    4.3.2　二次仪表结构图

    二次仪表功能结构如图4所示。

图4　二次仪表结构图

    4.3.3　二次仪表性能指标

    1）准确度等级为0.5级、1.0级；
    2）线性度≤0.003%；
    3）重复性≤0.008%；
    4）零点漂移≤0.0001%；
    5）增益漂移≤0.0005%；
    6）电源影响≤0.02%；
    7）共模影响≤0.03%；
    8）串模影响≤0.03%；
    9）机械振动影响≤0.003%；
    10）环境温度0～40℃；
    11）相对湿度≤85%.

    5　结束语

    冲板流量计是一种比较理想的固体物料动态在线测量仪表，就其技术而言是成熟的，实际应用也是可行的。在目前固体物料动态测量方法不多的情况下，为了进一步提高现有的冲板固体流量计性能、精度和智能化，对其进行技术改造是很有必要的，是改善当前固体物料流量测量困难和精度不高现状的有效途径。