应变式位移检测元件的力平衡式变送器

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应变式位移检测元件的力平衡式变送器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种在自动检测技术领域内的变送器仪表。\n背景技术\n[0002] 目前，在流量、液位等检测过程中，依据力平衡原理的变送器仍在大量使用，典型代表是DDZ-II型与DDZ-III型差压变送器。在这一类变送器中，当被测压差变化时，正比于被测压差的输入力作用于杠杆系统上并使其产生位移，变送器的位移检测放大器将该位移转换为对应的标准电流信号，该电流信号既作为变送器的输出信号，同时又流过固定在杠杆上的电磁反馈装置以产生正比于该输出电流的反馈力，如此，反馈力与输入力均发生了相应的变化，并使杠杆系统再次平衡在一个新的位置上。显然，由于上述力平衡关系，变送器的输出电流正比于被测压差。DDZ-II型差压变送器使用的是高频位移检测放大器，并使用铝检测片和平面检测线圈作为位移检测元件；DDZ-III型差压变送器使用的是低频位移检测放大器，并使用差动变压器作为位移检测元件。由于这两种位移检测元件的输出参数均为电感量，位移检测放大器必须包含自激振荡电路，因而放大器的电路较复杂，变送器的调校也比较麻烦，变送器的可靠性、重复性也较差。\n发明内容\n[0003] 考虑到应变片的输出参数为电阻量，后续处理电路相对简单，且具有测量精度高、量程宽、适应性强等优点，使用应变式位移检测元件可组成性价比相对较高的力平衡式变送器。\n[0004] 本发明所采用的技术方案如说明书附图中的图1所示：研制的变送器是一种应变式位移检测元件的力平衡式变送器，其整体结构为一个负反馈闭环系统，由杠杆系统、前向通道的位移检测放大器、反馈通道的电磁反馈装置组成，前向通道的位移检测放大器采用应变式位移检测放大器，应变式位移检测放大器由应变式位移检测元件、电桥、电压放大器、V/I转换电路几部分组成，应变式位移检测元件包括弹性元件与固定在弹性元件上的应变片两部分，应变片连至电桥，电桥将应变片的电阻变化转换为电压变化作为电压放大器的输入，电压放大器输出电压经V/I转换电路转换为直流电流信号，该直流电流信号即应变式位移检测放大器的输出电流信号，应变式位移检测放大器的输出电流一方面作为整个变送器的输出电流信号，另一方面该电流同时流过固定在杠杆上的电磁反馈装置以产生电磁反馈力，被测量的输入力和电磁反馈装置输出的电磁反馈力在杠杆系统上综合比较后产生的差值力作用在应变式位移检测元件的弹性元件上，这个差值力使弹性元件产生形变(位移)并被弹性元件的弹性力所平衡，弹性元件的形变又使得固定在其上面的应变片产生相应的电阻变化，应变式位移检测元件的力平衡式变送器也可不使用杠杆系统，而将被测量的输入力和电磁反馈装置输出的电磁反馈力直接作用在应变式位移检测元件的弹性元件上进行力的综合比较。在图1中，k4为弹性元件的刚度系数，k7为电压放大器的放大系数，β为电磁反馈装置的反馈系数，k1、k2、k3、k5、k6、k8为闭环系统相应环节的比例系数。\n根据闭环系统传递函数的计算方法可得：\n[0005] \n[0006] 由于在应变式位移检测元件中，弹性元件的刚度系数k4应设计得比较小，而电压放大器放大系数k7又设计得比较大，即\n[0007] \n[0008] 因此\n[0009] \n[0010] 式中k1、k2、β均为特性较稳定环节的比例常数，因此，变送器输出信号I就与被测量的输入力f1成比例。只要前向通道的应变式位移检测放大器的放大倍数足够大，变送器特性就只与k1、k2、β有关，而与应变式位移检测放大器各环节的比例系数无关，即与这些环节比例系数的稳定性无关，因此应变式位移检测放大器可使用相对便宜的元器件。\n[0011] 本发明的有益效果是，由于应变片的输出参数为电阻量，后续处理电路相对简单，与其他类型的力平衡式变送器相比，应变式位移检测元件的力平衡式变送器的造价更低、调校更容易，且应变片具有测量精度高、量程宽、适应性强等优点，因此使用应变式位移检测元件可组成性价比相对较高的力平衡式变送器。\n附图说明\n[0012] 图1是本发明的原理方框图。\n[0013] 图2是本发明实施例的结构原理图。\n[0014] 图2中1.应变片，2.电桥，3.电压放大器，4.V/I转换电路，5.直流电源，6.负载电阻，7.检测悬臂梁，8.调零弹簧，9.永久磁钢，10.反馈动圈，11.托架，12.弹性轴封膜片，13.杠杆，14.密封垫圈，15.前端盖，16.弹性密封环带，17.中间段，18.后端盖，19.滑筒，20.支撑杯，21.前平衡室，22.弹性密封圈，23.文丘里管，24.后平衡室，25.平衡液环形缓冲空间，26.传动叉。\n[0015] 图3是本发明实施例的应变式位移检测放大器电路图。\n[0016] 图4是本发明实施例的电磁反馈装置结构简图。\n[0017] 图4中27.磁钢罩，28.磁钢底，29.软铁心，30.磁分路螺钉，31.铜环。\n具体实施方式\n[0018] 在图2的实施方案中，本发明作为另一项专利(中部通孔的动节流元件流量计)的配套变送器使用。虽然测量中仍利用节流原理，但中部通孔的动节流元件流量计将文丘里管、喷嘴和孔板作为动节流元件使用，不需要导压管，因此不易堵塞，并可以降低施工难度。中部通孔的动节流元件流量计的中间段(17)和前端盖(15)、后端盖(18)之间均加密封垫圈(14)，相互间密封固定连接，构成了一个用于与被测流体管道相连接的刚性的表壳。\n为了减少流动阻力损失和防止污物在管道内聚集，动节流元件采用文丘里管(23)，文丘里管前后各安装一个弹性密封环带(16)，文丘里管前端的弹性密封环带一端与文丘里管密封固定连接，另一端与表壳的入口密封固定连接，文丘里管后端的弹性密封环带一端与文丘里管密封固定连接，另一端与表壳的出口密封固定连接，文丘里管与两个弹性密封环带在表壳入口与出口之间形成一个无泄漏的被测流体的流动通道。固定安装在文丘里管上的两个滑筒(19)分别与固定安装在前、后端盖上的两个支撑杯(20)滑动配合，组成两个移动副，使得文丘里管可以在被测流体的推动下在一定范围内沿管道轴向前后移动。在表壳中间段上的内凸缘和文丘里管上的前凸缘之间固定或半固定安装一个弹性密封圈，使得测量时在表壳内、文丘里管外形成两个互不连通的平衡室，平衡室内充以平衡液。测量时，前平衡室(21)平衡液压力与文丘里管前部弹性密封环带被测流体侧压力相同，后平衡室(24)平衡液压力与文丘里管后部弹性密封环带被测流体侧压力相同。采取这样的技术措施后，由于两个弹性密封环带内外两侧压力相同，基本不受径向力影响，因此对其本身机械强度的要求不高，可采用非金属弹性材料制造，同理，文丘里管也可以采用薄壁结构并以非金属材料制成。安装在表壳中间段上的弹性轴封膜片(12)为杠杆(13)的支点，弹性轴封膜片同时还起到密封的作用，使得后平衡室内的平衡液不会泄漏到表壳外，平衡液可以是清洁的水，也可以是矿物油。由于液体基本上是不可压缩的，因此弹性密封环带、滑筒与支撑杯三者之间的平衡液环形缓冲空间(25)的容积可以很小，在设计中只要保证其大于前平衡室或后平衡室平衡液整体容积在被测流体最大压力作用下所可能产生的最大压缩量即可。\n杠杆下部固定安装一个传动叉(26)，叉的两端各有一个开口槽，文丘里管对应部位上固定安装的两个圆柱销置于开口槽内，开口槽与圆柱销组成移动副，可将文丘里管的轴向运动转变为杠杆的转动。杠杆上部位置处有一个检测悬臂梁(7)，粘贴在检测悬臂梁上的应变片(1)可将悬臂梁在杠杆的推力作用下产生的挠曲转换为应变片输出电阻的变化，应变片应分别粘贴在悬臂梁的正负应变区并由导线连至电桥(2)，组成差动双桥或差动全桥，以便提高电桥的灵敏度、减少电桥的非线性误差并补偿应变片温度特性漂移。电桥输出电压较小，需要用电压放大器(3)将其放大，放大后的电压由V/I转换电路(4)转换为4～20mA的电流信号以提高变送器输出信号的远传能力。变送器为二线制变送器，变送器电源由远处的直流电源(5)提供，变送器输出的直流电流信号除远传输出至负载电阻(6)外，该电流还流过固定安装在杠杆上部的一个反馈动圈(10)，反馈动圈置于永久磁钢(9)内，因此变送器输出的直流电流越大，反馈动圈对杠杆上部施加的电磁反馈力就越大。当杠杆平衡时，作用在其上的电磁反馈力与流体作用在文丘里管上的推力成比例，也就是对应于电磁反馈力的变送器输出的直流电流与流体作用在文丘里管上的推力成比例，由于流体作用在文丘里管上的推力与被测体积流量的平方成比例，因此变送器输出的直流电流与被测流体的流量有确定的对应关系。与使用孔板相比较，中部通孔的动节流元件使用文丘里管具有流动阻力小、不易堵塞、测量精度高的优点。一方面，较小的流动阻力可减少流量检测造成的工艺管道的阻力损失，具有节能的好处；另一方面，由于在测量过程中流体作用在文丘里管上的推力较小，需要平衡这个推力的电磁反馈力也较小，因此变送器采用单杠杆即可，而不必采用像DDZ-III型差压变送器中那样复杂的双杠杆与矢量机构。变送器采用简单的单杠杆可使杠杆上平衡吊带(图2中未画出)的调整更容易完成，同时，鉴于作用在单杠杆上的力较小，杠杆就可以设计的比较细，弹性轴封膜片的面积也就可以设计的比较小，其造成的静压附加误差也较小。应变式位移检测放大器由应变式位移检测元件、电桥、电压放大器、V/I转换电路几部分组成，其电路如图3所示。应变式位移检测元件的弹性元件就是图2中的检测悬臂梁，应变片R2、R3粘贴在检测悬臂梁的正应变区，应变片R1、R4粘贴在检测悬臂梁的负应变区，然后将各个应变片用导线连接至电桥。由于力平衡式变送器对位移检测放大器放大倍数的要求比较高，而对其稳定性的要求不高，也就是说，要求检测悬臂梁的刚度系数k4足够小，电压放大器放大系数k7足够大，同时可降低对检测悬臂梁与电压放大器的稳定性要求以降低造价。因此，检测悬臂梁可不必选择弹性模量温度系数小的金属材料，但要求悬臂梁的刚度系数k4足够小，即很小的差值力Δf就能够使应变片产生足够的ΔR，进而使后续电路产生足够的电流变化ΔI，显然，差值力Δf相对于被测量的输入力f1和电磁反馈力f2越小，变送器的测量精度就越高；同样道理，电压放大器选用价格较低的仪表放大器AD8221，AD8221是8管脚芯片，对其的要求是要有足够大的放大倍数(可通过选择一个合适的RG的阻值来实现)，即只要在应变片在受到的某个应变值(设计时应确保该值小于该应变片的极限应变)时，AD8221的输出电压UI能够达到后续V/I转换电路要求的最大值+4V即可。V/I转换电路选用XTR115型二线制电流变送器，XTR115采用SO-8小型化封装，其管脚7为电源端，外接输出电流环路中的直流电源Us，在实际测量过程中，力平衡式变送器通常在测量现场，而直流电源Us和负载电阻RL在远离测量现场的控制室，因此使用XTR115让现场的变送器很容易实现安全火花防爆。XTR115的管脚1给应变片电桥提供+2.5V的电源电压，管脚8给仪表放大器AD8221提供+5V的电源电压，管脚3为+2.5V基准电压源输出电流IREF和+5V稳压器输出电流IREG的返回端，可作为输入电路的公共地。电路中C为降噪电容，VT为XTR115外接的NPN功率管，型号为2N4922，2N4922的发射极、基极、集电极分别接XTR115的管脚5、6、7，它与XTR115内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。当检测悬臂梁受力挠曲时，应变片电桥输出的电压信号首先经过仪表放大器放大成0.8～4V的输入电压UI，再通过20kΩ的输入电阻RI转换成40～200μA的输入电流II，最后经XTR115放大100倍后获得4～20mA的直流电流信号IO，由XTR115的管脚4输出。在变送器这个力平衡式闭环系统中，当前向通道上的位移检测放大器放大倍数足够大时，在足够大的精确程度上，变送器的输入输出特性只取决于杠杆系统和电磁反馈装置。因此，变送器通过调整杠杆系统上的调零弹簧(8)，使被测流量在测量下限时，变送器的输出电流为4mA；而量程调节主要是通过改变电磁反馈装置在杠杆上的位置，以及更换反馈动圈抽头(粗调)和通过调节磁分路螺钉(30)改变磁钢气隙中的磁感应强度(细调)来实现。电磁反馈装置由永久磁钢、磁钢罩(27)、磁钢底(28)、软铁心(29)、磁分路螺钉、铜环(31)组成。固定在杠杆上的反馈动圈处于永久磁钢的磁场中，可在其中左右移动，永久磁钢、软铁心、磁钢罩、磁钢底组成磁路，软铁心使环形气隙中形成均匀的辐射状磁场，从而使流过圆形反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直，当变送器输出电流流过反馈动圈时，就会产生一个与输出电流成比例的电磁反馈力。\n[0019] 该实施例的工作过程：当流过文丘里管的被测流体的流量增大时，流体就对文丘里管施加一个比原流量时更大的推力，并使文丘里管产生一个向右的沿管道轴向的位移，这个位移使得连接在文丘里管上的杠杆绕支点逆时针旋转，杠杆上端推动检测悬臂梁向左弯曲(产生位移)，分别粘贴在检测悬臂梁正负应变区的应变片电阻产生差动变化，电桥、电压放大器和V/I转换电路将这个差动电阻变化转变为与检测悬臂梁位移对应的输出电流变化，即使得变送器输出的直流电流也随着位移的增大而增大，这个增大的直流电流流过反馈动圈时，反馈动圈作用在杠杆上部的电磁反馈力也随之增大，当电磁反馈力增大到与流体推力相平衡时，杠杆重新平衡，借助于这种杠杆力平衡的工作方式，变送器输出一个与被测流体流量有确定对应关系的输出信号。需要说明的是，当应变式位移检测放大器的放大倍数足够大时，检测悬臂梁的位移量其实是非常小的。