摘要：信號(hào)檢出器由磁鋼、線圈、放大器、殼體等組成。磁鋼的材質(zhì)為鋁鎳鈷，線圈骨架的材質(zhì)為聚醚砜樹脂，殼體采用 XR-240 灌封膠封裝。基于運(yùn)算放大芯片 TLC271A，引入正反饋機(jī)制構(gòu)建放大器電路。放大器具有前置放大和史密特觸發(fā)器的整形功能，能夠直接向用戶的二次儀表輸出標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)。 這種信號(hào)檢出器靈敏度高、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、具有良好的抗震和抗干擾能力。采用這種信號(hào)檢出器的渦輪流量計(jì)已經(jīng)在石油企業(yè)應(yīng)用達(dá)八年之久。

一、測(cè)量原理：
  _水表和渦輪流量計(jì)是典型的葉輪式流量計(jì)。葉輪式流量計(jì)是應(yīng)用流體動(dòng)量矩原理測(cè)量流量的裝置，在冶金、石油、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研制的渦輪式流量計(jì)工作原理是：將葉輪置于被測(cè)流體中，受流體流動(dòng)的沖擊而旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，即以葉輪旋轉(zhuǎn)的快慢來(lái)反映流量的大??；葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，葉輪的葉片切割流量信號(hào)檢出器發(fā)出的磁場(chǎng)，周期性地改變其磁阻值，信號(hào)檢測(cè)器中的線圈，它的磁通也隨之發(fā)生周期性變化， 產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì)，即電脈沖信號(hào)， 經(jīng)信號(hào)檢出器放大后，形成標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，直接送入二次儀表進(jìn)行顯示和計(jì)數(shù)。
   渦輪流量計(jì)一般由顯示儀表和渦輪變送器構(gòu)成。變送器主要由信號(hào)檢出器、渦輪、軸和軸承組件、導(dǎo)流器和殼體等構(gòu)成。信號(hào)檢出器裝配圖見(jiàn)圖 1。
 
 
二、實(shí)用流量方程：
 渦輪流量計(jì)的流量方程有理論流量方程和實(shí)用流量方程 ^[1]。其中實(shí)用流量方程為：
 體積流量（kg/s）：Q_V=F/K
質(zhì)量流量（m³/s）：Q_M=Q_Vρ其中，F 一信號(hào)檢出器輸出信號(hào)的頻率，單位 :Hz; 
K—儀表系數(shù)，單位 :1/m³; ρ—密度，單位 :kg/m³ 。
目前未見(jiàn)到用理論公式推導(dǎo)出的 K 值，仍需由實(shí)際流量校驗(yàn)確定。K 值的確定是有條件的。通常根據(jù)傳感器類型、管道安裝條件及流體物性參數(shù)等情況而定。通常要參比實(shí)際工作條件下，在流量校驗(yàn)裝置上

圖1 渦輪流量計(jì)變送器結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行校驗(yàn)， 根據(jù)輸人流量和輸出頻率脈沖信號(hào)確定 K值的大小。使用時(shí)如偏離參比工作條件，K 值可能發(fā)生變化。

三、信號(hào)檢出器的構(gòu)成：
 
N
_S 磁鐵
 
鐵芯 放大器    施密特電路

 磁鋼對(duì)葉片有吸引力，會(huì)產(chǎn)生磁阻力矩。小口徑傳感器在小流量時(shí)，磁阻力矩在諸阻力矩 ( 葉輪的慣性矩、流體驅(qū)動(dòng)力矩、粘性阻力矩、軸承摩擦阻力、磁阻力矩等 ) 中成為主要影響因素。為降低磁阻力矩輸出，需要根據(jù)口徑大小選擇磁鋼的規(guī)格。
 
2、線圈
 信號(hào)檢出器中的線圈骨架材質(zhì)，選用聚醚砜樹脂。它具有優(yōu)良的耐熱性能、物理機(jī)械性能、絕緣性能、與環(huán)氧樹脂粘結(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)。其突出優(yōu)點(diǎn)是在溫度急劇變化的環(huán)境中仍能保持性能穩(wěn)定。
 信號(hào)檢出器線圈骨架尺寸見(jiàn)圖 4。環(huán)繞在骨架上的漆包線型號(hào)為 QZ-2/130，規(guī)格為 0.06mm，匝數(shù)3600，采用分層平繞方法繞制。
 
3、放大器
 
（1）運(yùn)算放大芯片 TLC271A線圈感應(yīng)得到的信號(hào)一般較小，不規(guī)則，需配置運(yùn)算放大器，經(jīng)其放大、整形后，才能輸出滿足二次儀表需要的、標(biāo)準(zhǔn)的、幅值較大的電脈沖信號(hào)。

圖2 一般常用的信號(hào)檢出結(jié)構(gòu) 圖3改進(jìn)后的信號(hào)檢出器結(jié)構(gòu)

圖4 信號(hào)檢測(cè)器的線圈骨架尺寸 圖5放大器電路

信號(hào)檢出器中的運(yùn)算放大器，采用美國(guó) TI 公司的低功耗運(yùn)算放大器芯片 TLC271A。它的特點(diǎn)是：輸入阻抗高達(dá) 1012 kΩ ，而輸入失調(diào)電壓僅為 0. 1μV/V ；兼有低位移電流 、優(yōu)越的共模抑制比，并具有許多與雙級(jí)技術(shù)相關(guān)的性能 ^[2]，單電源，3V 電壓就能正常工作。常用于傳感器接口、生物電信號(hào)的檢測(cè)，以及各


圖6 輸入波形圖 圖7輸出波形圖  圖7輸出波形圖

種需要電池供電的儀器設(shè)備。
 
（2）放大器電路
 
圖 5 為放大器電路。它由電阻 R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆，電容 C₁、C₂、C₃ 和運(yùn)算放大芯片 TLC271A 組成，電路的輸入接線圈的引出線。電路中的 R₂ 是運(yùn)算放大器的反饋電阻，R₅ 和 R₆ 構(gòu)成運(yùn)放的偏置電路。
 
C₁ ～ C₃ 作用是：抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。
 
電路采用正反饋設(shè)計(jì)，是基于正反饋增益提高原理 ^[3]。電路中的信號(hào)從同相輸入端輸入，輸出與輸入同相，因此放大器必須有一輸入端與地相連 ^[4]。由于引入了正反饋，電路的實(shí)際作用等同于史密特觸發(fā)器^[5]。電路的輸入波形見(jiàn)圖 6，輸出波形見(jiàn)圖 7。
 
電路中的反饋電阻 R₂，阻值選 1MΩ 左右，能夠使信號(hào)檢出器具有較高的靈敏度，R₂ 不能取值過(guò)大，否則，當(dāng)葉輪的葉片恰好停在信號(hào)檢出器有效的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，葉輪流量計(jì)受到震動(dòng)，可能引起葉片與信號(hào)檢出器產(chǎn)生較小的相對(duì)位移，此時(shí)無(wú)流體通過(guò)信號(hào)檢出器，也會(huì)輸出信號(hào)，導(dǎo)致顯示儀表誤計(jì)數(shù)，造成累計(jì)流量不準(zhǔn)。電路中 C₁ 的主要作用是吸收葉輪式流量計(jì)受震動(dòng)而產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。C₁ 取值一般在 1μF 左右，就能滿足要求。在特殊的情況下，C₁ 取值可調(diào)大，但要小于 4.7μF， 過(guò)大會(huì)吞噬有效信號(hào)。

4、殼體封裝：
 信號(hào)檢出器的制作，對(duì)殼體的封裝質(zhì)量要求較高。為確保其具有良好的抗震和抗干擾能力，除了在灌封工藝上要保證外，灌封膠的選料尤為重要。低劣的灌封膠，低劣的灌封，直接影響信號(hào)檢出器的性能和使用壽命。文中用 XR-240 灌封膠封裝 , 它具有粘附力好、防震、吸振性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在固化時(shí)不產(chǎn)生任何低分子有害物質(zhì)，深度再大也能完全固化，耐溫可達(dá) -60℃～ +300℃。
 
 
四、測(cè)試：
 
在流量校驗(yàn)裝置上，用同一個(gè)渦輪流量傳感器，分別對(duì)兩個(gè)（下面稱 1 號(hào)和 2 號(hào)）信號(hào)檢出器進(jìn)行測(cè)試比較，其結(jié)果見(jiàn)表 1、表 2。
 
表 1 1 號(hào)信號(hào)檢出器測(cè)試結(jié)果
 

 
表 2 2 號(hào)信號(hào)檢出器測(cè)試結(jié)果
 

 
 根據(jù)表 1 和表 2 兩個(gè)信號(hào)檢出器測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算流量計(jì)的重復(fù)性，滿足渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程要求（重復(fù)性不得超過(guò)相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)規(guī)定的***大允許誤差值的 1/3）, 信號(hào)檢出器的技術(shù)指標(biāo)一致性較好，適合互換及批量生產(chǎn)。
 
五、結(jié)論：
 渦輪流量計(jì)信號(hào)檢出器，采取無(wú)孔洞縫隙、無(wú)可動(dòng)部件設(shè)計(jì)，抗振動(dòng) , 不受溫度、壓力的影響，安全防爆，無(wú)磨損，無(wú)須機(jī)械維修，使用壽命長(zhǎng)。采用微功耗運(yùn)算放大器，輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，無(wú)須再對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，可直接送入二次儀表，特別適應(yīng)于電池供電的、現(xiàn)場(chǎng)顯示型的渦輪流量計(jì)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易生產(chǎn)。