在工業(yè)生產(chǎn)中，液位、壓力、流量與溫度統(tǒng)稱四大熱工工藝參數(shù)。固體物料種類繁多，物理特性差異很大，對(duì)其流量的測量與氣體和液體相比是相對(duì)困難的，測量手段和方法較少，一直是測量領(lǐng)域的難題，常用方法主要有電子皮帶稱、電子核子稱、沖板式流量計(jì)等，但普遍測量精度較低，相對(duì)而言沖板式流量計(jì)測量機(jī)理科學(xué)，理論依據(jù)充分，結(jié)構(gòu)簡單，傳統(tǒng)沖板式流量計(jì)測量精度低的主要原因是傳感器和測量電路部分不夠先進(jìn)。為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)固體物料計(jì)量大流量高精度的要求，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造是很有必要的。

    1 沖板流量計(jì)的測量機(jī)理

    當(dāng)物料從高度為h處，以自由下落方式?jīng)_擊沖擊板時(shí)，有沖擊力F1

       （1）

    F1可以分解為一個(gè)重力Fp和一個(gè)水平分力Fm。

      （2）

式中：Fm為物料落在沖擊板的水平分力；m為物料的質(zhì)量；g為自由落體加速度；α為落料角；β為沖擊板與水平面夾角；h為垂直距離。

    從式（2）看出，流量計(jì)制造安裝完成后α，β，h均為常數(shù)，F(xiàn)m與流量成正比并且線性，其大小不受被測物料的（如密度、粒度、濕度）等因素變化的影響，是散狀固體物料在連續(xù)動(dòng)態(tài)在線測量***為理想的測量方法，測量水平分力是為了減少因常時(shí)間使用沖擊板磨損重量減輕對(duì)測量精度影響。

圖1　沖板流量計(jì)工作原理圖

    2　沖板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

    傳統(tǒng)沖板流量計(jì)由機(jī)械測量機(jī)構(gòu)和變送器兩部分組成。機(jī)械測量機(jī)構(gòu)由沖擊板、浮動(dòng)框架、測力彈簧和差動(dòng)變壓器傳感器組成，沖板受到被測物料沖擊擊時(shí)，垂直分力Fp被裝置剛性結(jié)構(gòu)完全平衡掉。其水平分力Fm帶動(dòng)浮動(dòng)框架擺一個(gè)距離，此距離的大小與測力彈簧的彈性模量有關(guān)，彈簧的彈性模量由公式計(jì)算所得，此距離通常在2mm左右。為增加過載能力，裝置內(nèi)裝有硅油阻尼筒，為使機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，還加有重錘平衡機(jī)構(gòu)。

    變送器采用的是差動(dòng)變壓器作為傳感器，被測物料沖擊到?jīng)_擊板上，水平分力Fm使浮動(dòng)框架擺動(dòng)帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的磁芯左右移動(dòng)，當(dāng)磁芯偏移對(duì)稱位置時(shí)，差動(dòng)變壓器有毫伏正弦波電壓信號(hào)輸出。變送器包括震蕩、穩(wěn)幅、放大、檢波、濾波和V/F轉(zhuǎn)換電路組成，***終把差動(dòng)變壓器的測量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭垢蓴_的電流脈沖信號(hào)，通過兩線制線路輸送給脈沖頻率調(diào)制器，經(jīng)過脈沖頻率調(diào)制器解調(diào)，將頻率信號(hào)輸送給測控顯示儀表，經(jīng)測控顯示儀表運(yùn)算處理，可獲得固體物料瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)的4～20mA電流信號(hào)給調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

    3 沖板流量計(jì)技術(shù)改進(jìn)的必要性

    傳統(tǒng)沖板流量計(jì)是原聯(lián)邦德國倍加福（E+H）公司20世紀(jì)80年代初發(fā)明的，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，傳感器采用的是差動(dòng)變壓器，變送器采用的是常規(guī)儀表電路，電路轉(zhuǎn)換次數(shù)太多，線性度和精度都不高。機(jī)械測量機(jī)構(gòu)動(dòng)作部件多，極易造成磨損，給維修和使用帶來很大不便，另一個(gè)主要原因，倍加福（E+H）公司已不再生產(chǎn)固體物料沖板流量計(jì)了，已將該專利轉(zhuǎn)讓給美國拉姆齊公司，這就造成國內(nèi)一些用戶無處購買配件的尷尬境地。有必要對(duì)傳統(tǒng)沖板流量計(jì)進(jìn)行技術(shù)更新。

    4 流量計(jì)技術(shù)改造方案

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型傳感器和大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，尤其是單片機(jī)體積越來越小，計(jì)算速度越來越快，儲(chǔ)存容量越來越大。利用芯片技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的常規(guī)儀表進(jìn)行升級(jí)和換代，使其具有數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)及通信等功能，成為智能化儀表，傳統(tǒng)儀表的智能化已成為必然趨勢，國內(nèi)在沖板流量計(jì)智能化方面的研究，遠(yuǎn)不如電子皮帶稱和電子核子稱，不能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)計(jì)量裝置智能化、高精度和多功能的要求。

    改造后沖板流量計(jì)由傳感器、測量機(jī)構(gòu)、二次儀表（積算儀）三部分組成。

    4.1 傳感器

    傳感器采用技術(shù)成熟，精度高，成本低，應(yīng)用廣泛的應(yīng)變式稱重傳感器，其主要特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，過載能力大，測量精度高。安裝形式如圖2、圖3所示。

圖2　正視圖

    4.2　測量機(jī)構(gòu)

    測量機(jī)構(gòu)由沖擊板和立軸（焊接成一體）及上下支點(diǎn)組成，稱重傳感器安裝沖擊板后面見圖3。被測物料沖擊到?jīng)_板上，沖擊力可分解為一個(gè)水平分力Fm和垂直分力Fp。其中垂直力Fp，被上下支點(diǎn)產(chǎn)生的反作用力完全抵消。而水平分力Fm使沖擊板以上下支點(diǎn)為中心，向后發(fā)生水平方向旋轉(zhuǎn)。利用稱重傳感器把水平分力Fm轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

圖3　側(cè)視圖

    4.3　二次儀表

    稱重傳感器可將作用于沖擊板上的固體物料水平分力Fm變?yōu)榫€性的毫伏電壓輸出。經(jīng)由低漂移的儀用直流放大器放大至A/D轉(zhuǎn)換器所需的電壓幅度，再通過高精度A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓變換成相應(yīng)的數(shù)字量，由CPU進(jìn)行運(yùn)算處理，***后在LCD上將固體物料的瞬時(shí)流量和累積流量顯示出來，輸出的4～20mA信號(hào)可以控制給料機(jī)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

    4.3.1　二次儀表功能

    二次儀表的主要功能包括控制沖板流量計(jì)工作狀態(tài)和設(shè)定參數(shù)；測皮重和去皮；計(jì)算瞬時(shí)流量和累積量；顯示測量數(shù)據(jù)；自動(dòng)報(bào)警；4～20mA信號(hào)輸出；儀表具有自檢；斷電保護(hù)；與上位計(jì)算機(jī)通信等功能。

    4.3.2　二次儀表結(jié)構(gòu)圖

    二次儀表功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　二次儀表結(jié)構(gòu)圖

    4.3.3　二次儀表性能指標(biāo)

    1）準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)、1.0級(jí)；
    2）線性度≤0.003%；
    3）重復(fù)性≤0.008%；
    4）零點(diǎn)漂移≤0.0001%；
    5）增益漂移≤0.0005%；
    6）電源影響≤0.02%；
    7）共模影響≤0.03%；
    8）串模影響≤0.03%；
    9）機(jī)械振動(dòng)影響≤0.003%；
    10）環(huán)境溫度0～40℃；
    11）相對(duì)濕度≤85%.

    5　結(jié)束語

    沖板流量計(jì)是一種比較理想的固體物料動(dòng)態(tài)在線測量儀表，就其技術(shù)而言是成熟的，實(shí)際應(yīng)用也是可行的。在目前固體物料動(dòng)態(tài)測量方法不多的情況下，為了進(jìn)一步提高現(xiàn)有的沖板固體流量計(jì)性能、精度和智能化，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造是很有必要的，是改善當(dāng)前固體物料流量測量困難和精度不高現(xiàn)狀的有效途徑。