涡轮流量计配套设备信号检出器原理说明

摘要：信号检出器由磁钢、线圈、放大器、壳体等组成。磁钢的材质为铝镍钴，线圈骨架的材质为聚醚砜树脂，壳体采用 XR-240 灌封胶封装。基于运算放大芯片 TLC271A，引入正反馈机制构建放大器电路。放大器具有前置放大和史密特触发器的整形功能，能够直接向用户的二次仪表输出标准方波信号。 这种信号检出器灵敏度高、功耗低、结构紧凑、具有良好的抗震和抗干扰能力。采用这种信号检出器的涡轮流量计已经在石油企业应用达八年之久。

一、测量原理：
  _水表和涡轮流量计是典型的叶轮式流量计。叶轮式流量计是应用流体动量矩原理测量流量的装置，在冶金、石油、化工等领域得到广泛应用。研制的涡轮式流量计工作原理是：将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，转速与管道平均流速成正比，即以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小；叶轮转动后，叶轮的叶片切割流量信号检出器发出的磁场，周期性地改变其磁阻值，信号检测器中的线圈，它的磁通也随之发生周期性变化， 产生周期性的感应电势，即电脉冲信号， 经信号检出器放大后，形成标准方波信号，直接送入二次仪表进行显示和计数。
   涡轮流量计一般由显示仪表和涡轮变送器构成。变送器主要由信号检出器、涡轮、轴和轴承组件、导流器和壳体等构成。信号检出器装配图见图 1。
 
 
二、实用流量方程：
 涡轮流量计的流量方程有理论流量方程和实用流量方程 ^[1]。其中实用流量方程为：
 体积流量（kg/s）：Q_V=F/K
质量流量（m³/s）：Q_M=Q_Vρ其中，F 一信号检出器输出信号的频率，单位 :Hz; 
K—仪表系数，单位 :1/m³; ρ—密度，单位 :kg/m³ 。
目前未见到用理论公式推导出的 K 值，仍需由实际流量校验确定。K 值的确定是有条件的。通常根据传感器类型、管道安装条件及流体物性参数等情况而定。通常要参比实际工作条件下，在流量校验装置上

图1 涡轮流量计变送器结构图

进行校验， 根据输人流量和输出频率脉冲信号确定 K值的大小。使用时如偏离参比工作条件，K 值可能发生变化。

三、信号检出器的构成：
 
N
_S 磁铁
 
铁芯 放大器    施密特电路

 磁钢对叶片有吸引力，会产生磁阻力矩。小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩 ( 叶轮的惯性矩、流体驱动力矩、粘性阻力矩、轴承摩擦阻力、磁阻力矩等 ) 中成为主要影响因素。为降低磁阻力矩输出，需要根据口径大小选择磁钢的规格。
 
2、线圈
 信号检出器中的线圈骨架材质，选用聚醚砜树脂。它具有优良的耐热性能、物理机械性能、绝缘性能、与环氧树脂粘结性好等优点。其突出优点是在温度急剧变化的环境中仍能保持性能稳定。
 信号检出器线圈骨架尺寸见图 4。环绕在骨架上的漆包线型号为 QZ-2/130，规格为 0.06mm，匝数3600，采用分层平绕方法绕制。
 
3、放大器
 
（1）运算放大芯片 TLC271A线圈感应得到的信号一般较小，不规则，需配置运算放大器，经其放大、整形后，才能输出满足二次仪表需要的、标准的、幅值较大的电脉冲信号。

图2 一般常用的信号检出结构 图3改进后的信号检出器结构

图4 信号检测器的线圈骨架尺寸 图5放大器电路

信号检出器中的运算放大器，采用美国 TI 公司的低功耗运算放大器芯片 TLC271A。它的特点是：输入阻抗高达 1012 kΩ ，而输入失调电压仅为 0. 1μV/V ；兼有低位移电流 、优越的共模抑制比，并具有许多与双级技术相关的性能 ^[2]，单电源，3V 电压就能正常工作。常用于传感器接口、生物电信号的检测，以及各


图6 输入波形图 图7输出波形图  图7输出波形图

种需要电池供电的仪器设备。
 
（2）放大器电路
 
图 5 为放大器电路。它由电阻 R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆，电容 C₁、C₂、C₃ 和运算放大芯片 TLC271A 组成，电路的输入接线圈的引出线。电路中的 R₂ 是运算放大器的反馈电阻，R₅ 和 R₆ 构成运放的偏置电路。
 
C₁ ～ C₃ 作用是：抑制尖脉冲和各种噪声干扰，增强系统抗干扰能力。
 
电路采用正反馈设计，是基于正反馈增益提高原理 ^[3]。电路中的信号从同相输入端输入，输出与输入同相，因此放大器必须有一输入端与地相连 ^[4]。由于引入了正反馈，电路的实际作用等同于史密特触发器^[5]。电路的输入波形见图 6，输出波形见图 7。
 
电路中的反馈电阻 R₂，阻值选 1MΩ 左右，能够使信号检出器具有较高的灵敏度，R₂ 不能取值过大，否则，当叶轮的叶片恰好停在信号检出器有效的检测范围内时，叶轮流量计受到震动，可能引起叶片与信号检出器产生较小的相对位移，此时无流体通过信号检出器，也会输出信号，导致显示仪表误计数，造成累计流量不准。电路中 C₁ 的主要作用是吸收叶轮式流量计受震动而产生的脉冲信号。C₁ 取值一般在 1μF 左右，就能满足要求。在特殊的情况下，C₁ 取值可调大，但要小于 4.7μF， 过大会吞噬有效信号。

4、壳体封装：
 信号检出器的制作，对壳体的封装质量要求较高。为确保其具有良好的抗震和抗干扰能力，除了在灌封工艺上要保证外，灌封胶的选料尤为重要。低劣的灌封胶，低劣的灌封，直接影响信号检出器的性能和使用寿命。文中用 XR-240 灌封胶封装 , 它具有粘附力好、防震、吸振性能优异的特点，在固化时不产生任何低分子有害物质，深度再大也能完全固化，耐温可达 -60℃～ +300℃。
 
 
四、测试：
 
在流量校验装置上，用同一个涡轮流量传感器，分别对两个（下面称 1 号和 2 号）信号检出器进行测试比较，其结果见表 1、表 2。
 
表 1 1 号信号检出器测试结果
 

 
表 2 2 号信号检出器测试结果
 

 
 根据表 1 和表 2 两个信号检出器测试数据，计算流量计的重复性，满足涡轮流量计检定规程要求（重复性不得超过相应准确度等级规定的***大允许误差值的 1/3）, 信号检出器的技术指标一致性较好，适合互换及批量生产。
 
五、结论：
 涡轮流量计信号检出器，采取无孔洞缝隙、无可动部件设计，抗振动 , 不受温度、压力的影响，安全防爆，无磨损，无须机械维修，使用寿命长。采用微功耗运算放大器，输出的是标准的脉冲信号，无须再对信号进行处理，可直接送入二次仪表，特别适应于电池供电的、现场显示型的涡轮流量计。结构简单，成本低，易生产。