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涡轮流量计配套设备信号检出器原理说明


文章日期:2018-01-14|阅读数:


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):QV=F/K
质量流量(m3/s):QM=QVρ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

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

 
信号检出器采用变磁阻式,它由线圈、导磁棒(铁芯)、磁钢、放大器、壳体等组成。一般常用的
 
信号检出器,结构见图 2 所示。文中研制的信号检出器,在电路上进行了改进和整合,结构见图 3。
 
1、磁钢
 
信号检出器中的磁钢材质选用铝镍钴。目前常见的磁铁材料根据其磁力大小排列为:钕铁硼磁铁、钐NS电压调整磁铁钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁。其中,***贵的是钐钴磁钢,***便宜的是铁氧体磁钢,磁力***高的是钕铁硼磁钢,而性能***稳定,温度系数***好的是铝镍钴磁钢,并且磁钢性价比较高。它是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金,烧结工艺或铸造工艺都可以加工生产成不同的尺寸和形状,可加工性很好,工作温度可高达 600℃以上,非常适合于用在信号检出器中。
 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
图4 信号检测器的线圈骨架尺寸 图5放大器电路
涡轮流量计信号检出器电路图

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
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 R1R2R3R4R5R6,电容 C1C2C3 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
 
瞬时流量 (m3/h) 脉冲数 ( 个 ) 标准容积 (L) K 系数
0.1 1249 50 24.98
       
0.35 1254 50 25.08
0.7 1256 50 25.12
       
1.5 5041 200 25.20
       
 
表 2 2 号信号检出器测试结果
 
瞬时流量 (m3/h) 脉冲数 ( 个 ) 标准容积 (L) K 系数
0.1 1250 50 25.00
       
0.35 1253 50 25.06
       
0.7 1256 50 25.12
       
1.5 5040 200 25.20
       
 
 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。