基于动节流流量计变送器的研究与设计

丁建梅，张祥兵，王 海

(1．东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040;2．上海飞机制造有限公司，上海200436)

流量信号数据采集系统主要分为信号传送和信号接收处理两部分，其中信号传送部分包括变送器，所设计的变送器位于每户的供热管路上，而信号接收处理部分则位于楼道母表内。整体系统如图1所示。

目前，应变式传感器已成为应用最为广泛和最为成熟的传感器［1］。在流量计的设计过程中，采用了电阻应变式传感器。而没采用压电式传感器的原因是因为压电材料要在交变力的作用下才能给测量电路一定大小的电流，这种工作机理适应于测量动态振荡力、碰撞和高速压缩/张力［2］;而流量计的流质流动平稳，不能对传感器施加交变力。

图1 流量计数据采集方案Fig．1 Flow meter data collection solution

电阻应变式传感器转换的基本原理如图2所示。

图2 电阻应变式传感器工作原理Fig．2 The working principle of resistor strain sensor

1 电阻应变式传感器的设计

电阻应变式传感器的弹性敏感元件是直接感受被测量的，并以确切关系输出物理量的器件，在文献［3］中已经给出了流量计力检测敏感元件的3种不同方案。

1．1 转换元件

电阻应变式传感器的转换元件应变计是通过感受弹性体表面应变的变化使自身电阻发生变化，因此应变计的“输出”其实是电阻。将应变计按电桥结构连接，将电阻的变化转变为电压的变化时，应变计在电阻式应变传感器中起承上启下的作用。

应变计是基于应变效应制作的转换元件。应变效应是指应变计的电阻值随着其发生变形而产生改变的现象。

应变计一般由塑料薄膜(基盘)、金属电阻片(敏感栅)和迭层薄膜(覆盖层)组成，如图3所示。

图3 应变计结构Fig．3 The structure of strain gauge

经过对比不同型号应变计之间的差异，最终择优选择了HBM公司生产的K-LY41-3/1000型应变片，该应变片的参数见表1。

应变计的粘贴对其工作性能有着十分重要的影响，在选用粘合剂时应考虑到粘合剂应具有:较大的粘接强度、较好的温度和湿度稳定性、良好的耐疲劳性能、较小的蠕变和滞后性以及无毒无害等特点。经过对比各种粘接剂，最后选择改性丙烯酸酯作为应变计的粘接剂。

表1 K-LY41-3/1000应变片参数Tab．1 K-LY41-3/1000 strain gauge parameters

1．2 基本转换电路

惠斯通电桥由4个电阻 R1、R2、R3和 R4组成。a和b为输入端，两点之间的电压为E;c和d为输出端，根据电工学原理，c和d两点之间的电压U可由公式(1)算得:(如图4所示)

图4 惠斯通电桥Fig．4 The wheatstone bridge

从公式(1)可以看出，若要使输出电压U为零，则4个电阻必须满足一定的数学关系，即:

一般地，惠斯通电桥做成等臂形式，即R1=R3=R2=R4=R。由公式(1)可以看出，若4个电阻之一发生变化，平衡状态下的电桥就变得不平衡了，输出电压U不再为零。设各个电阻均有变化，则电桥输出为:

(1)惠斯通电桥输出。当电阻变化较小时，即ΔRi≪R，则公式(3)可以转变为:

对于应变计，存在

式中:K为应变片的灵敏系数;εi为各个应变计的应变。

结合公式(4)和公式(5)，则有:

惠斯通电桥根据参与工作的桥臂数分为半桥和全桥两大类，其中半桥又可分为半桥单臂和半桥双臂。

半桥单臂，即R2为应变片，其他为固定电阻，则公式(6)可以写为:

半桥双臂，即R1、R2为应变片，其他为固定电阻，此时应取ε1与ε2反向，则公式(6)可以写为:

全桥，即各个电阻均为应变片，且遵循变化符号相反的电阻联入相邻臂中、电阻变化相同的联入相对臂中的规律，则公式(6)可以写为:

在ΔRi≪R的条件下，从公式(7)～公式(9)可以看出，惠斯通电桥的输出与应变计所受的应变成正比。不同接法下，电桥的灵敏度不一样，半桥双臂是半桥单臂的两倍，全桥是半桥双臂的两倍。另外激励电压也对惠斯通电桥的灵敏度产生一定的影响。在搭建基本转换电路时，电桥灵敏度是一个重要的参数，一般地，尽量选择较高的灵敏度传感器。

(2)惠斯通电桥的非线性误差。在小应变下应变片的线性度较好，但随着应变的增加，应变片阻值的变化与电桥的输出并不成完全的线性关系。为了解决存在的非线性问题，需要对传感器进行非线性补偿。非线性补偿方法分为两类:硬件补偿和软件补偿。由于惠斯通电桥的信号极其微弱，导致后接的放大电路放大倍数极大，同时也就导致了非线性误差被放大。所以在电桥部分就要考虑做硬件非线性补偿，最后在数据处理阶段也进行非线性补偿，这样就能获得更加真实、准确的流量数据。

在公式(3)的推导过程中，假设ΔRi≪R，从而舍弃了高阶增量。若考虑高阶增量，在半桥单臂情况下，惠斯通电桥的实际输出为:

将公式(5)代入上式有:

则非线性误差为:

在半桥双臂情况下，由于ΔR1=-ΔR2，则实际输出为:

则非线性误差为:

同理，在全桥情况下，非线性误差为:

从公式(13)～公式(15)可以看出，半桥单臂存在非线性误差，而半桥双臂和全桥则不存在非线性误差。

另外，由于温度的变化会使应变片的阻值发生变化，即温度的变化会带来一定的虚假应力［4-5］，所以需要对惠斯通电桥进行温度补偿。对于半桥单臂电路通常的做法是:在测量时选择一块与弹性元件相同材料的料块，作为温度补偿块，将工作应变计相同型号的应变计粘贴在表面，作为一臂接在惠斯通电桥中;对于半桥双臂或者全桥电路，各个应变计之间的温度引起的电阻变化相同，对电桥的实际输出没有影响，所以可以起到温度补偿的作用。

综上所述，半桥双臂和全桥电路不仅可以抑制电路的非线性误差，还可以起到温度补偿的作用。在新型流量计的制作过程中，考虑到弹性元件的外部形状和应变片的尺寸，选择了半桥双臂电路作为基本转换电路。

(3)惠斯通电桥的供电电路。从公式(13)可以看出，半桥双臂的输出电压U不仅受应变计的灵敏系数K、弹性元件产生的变形ε影响，还受供电电压E影响。供电电压E的大小对输出电压U有直接影响，供电电压E越大，电阻应变式传感器的灵敏度也就越大，但高电压产生的热量会影响惠斯通电桥的稳定性;此外供电电压E的品质也直接影响了输出电压U的品质，例如供电电压的波动和噪声将会直接引起输出电压的波动和噪声。

在选择电桥供电电压时，考虑到高电压能获得较高的灵敏度、信噪比，但同时不至于影响电桥的稳定性，将供电电压确定在1．5～3V。考虑到V/I转换电路使用的XTR106转换芯片能够提供精确的基准电压2．5V和5V，精度能到达±0．05%，因此不需要另外设计惠斯通电桥的供电电路，而直接使用XTR106芯片的2．5V基准电压，从而大大简化变送器的整体电路，提高系统的可靠性。

2 变送器电路

2．1 调零电路的设计

在惠斯通电桥输出的推导过程中，假设R1=R3=R2=R4=R，得出初始状态下电桥输出为零。由于应变计及配对电阻的制造、应变计的粘贴等存在一定的差异，因此各个阻值不可能完全相同。实际阻值与理论值存在差距导致惠斯通电桥在零输入的状态下输出不为零，所以需要对惠斯通电桥进行调零处理。一般的惠斯通调零电路如图5所示。

图5 惠斯通电桥调零电路Fig．5 Zero wheatstone bridge circuit

电阻R6的取值按下面公式计算:

式中:RB为电桥阻抗，Ω;Vtrim为期望微调电压范围，V。

由于应变片R1和R2电阻的阻值为1 000Ω，所以桥臂电阻R3和R4选择的阻值为1 000Ω，精度为 ±0．1%;期望微调电压范围 Vtrim取0．01V，由公式(16)可以得到:

R5的阻值小于等于R6的阻值，所以在这里选择R5为100kΩ的多圈可调电位器。

2．2 信号放大电路的设计

惠斯通电桥的输出电压U为毫伏级，为了能够提高信号的抗干扰能力，在前级对其进行放大。本研究中信号放大电路由高精度运算放大器电路组成，放大电路芯片采用OPA2277。该芯片是一款高精度运算放大器［6］，其内部包含两块运算放大器，其特点有:超低的输入失调电压(10μV)、超低的温度漂移(±0．1μV/℃)、极大的开环放大倍数(134dB)、高共模抑制比(140dB)、低偏置电流(最大1nA)、宽工作电压(±2～±18V)、低静态电流(1．6mA)。

由于集成在一块硅片上，所以两块运算放大器的性能差别很小。对于OPA2277的供电问题，可以采用XTR106的5．1V输出电压。在这一级使用两个10kΩ和一个100Ω的高精密电阻组成前级放大电路，放大增益为200倍，信号放大电路如图6所示。

图6 信号放大电路Fig．6 Signal amplifying circuit

2．3 V/I转换电路的设计

惠斯通电桥的电压输出信号经放大后不能进行远距离传递，必须要将电压信号转变为电流信号，在这里采用V/I转换芯片，选用TI公司生产的XTR106。该款芯片是TI公司设计的一种低成本、单片4～20mA两线制电流变送器，该芯片的主要特点有［7］:两种高精度基准电压(2．5V和5V，精度为±0．05%)、一种稳压输出(5．1V)、低温度漂移(0．25μV/℃)、宽工作电压(7．5 ～ 36V)、低噪声等。该芯片的电流从IOUT脚输出，输出电流公式为:

式中:RG为满量程调节电阻，Ω;VIN为差分输入电压，V。

由于XTR106欠量程输出电流最大为2．5mA，且OPA2277的工作电流为1．6mA，那么通过电桥的电流最大为0．9mA。则电桥电路的总电阻为:

由于电桥的总阻抗约为1 000Ω，则电桥电路需要外接1 777Ω的电阻，选择1 800Ω的高精度电阻，外接在惠斯通电桥的电流流出端，这样还可以使得输出的共模电压范围保持在1．1～3．5V，从而满足了XTR106对信号共模输入电压的要求。计算的惠斯通电桥的激励电压为 0．886 5V。在1 500kg/h的流量下，应变计变化约为100μξ，根据公式(13)可以估算出惠斯通电桥的最大输出电压约为88μV，经信号放大电路200倍，输入到XTR106的最大差分电压为 17．6mV。令 IOUT=20mA，根据公式(17)可以算得满量程调节电阻RG的大小:

那么调节电阻RG选用50Ω的可调电位器，V/I电路如图7所示。最后将变送器制成实物，如图8所示。

图7 V/I转换电路Fig．7 V/I circuit

图8 变送器实物Fig．8 Real transmitter

3 流量计上变送器的实验研究与结果分析

为了验证流量计上变送器的性能，采用实验的方法对其进行测试。由于流量的变化较为缓慢，所以主要对流量计上变送器的静态性能进行测试。静态测试的性能主要包括滞差、重复性、线性度、灵敏度和稳定性［8］。分别对安装了不同检测模块的流量计进行静态性能测试［3］，选择一种最优的一种方案应用于流量计，并对流量计的压力损失特性进行测试。最后将安装了该种检测模块的流量计信号经变送器转换，利用标定平台对变送器的转换后的信号进行标定［8］。

3．1 流量标定的器材

变送器感应流量计应变计阻值的变化，并将该变化转换为4～20 mA标准电流进行信号的传送。为了测得变送器输出的信号，使用了一个250Ω的高精度电阻将电流信号转变为电压信号。当有一定水流流过流量计时，通过高精度电阻的电流就发生改变，这时使用63C7V电压表测量高精度电阻两端的电压值就可以得到电流的大小。最后，通过记录浮子流量计测得的流量对电阻两端电压值标定，即完成了对流量计的标定。对于变送器电路的供电系统，采用了MCS-51-96专用稳压电源，该电源可以给变送器提供24V直流电压激励。整个流量标定实验所需器材如图9所示。

3．2 实验步骤

(1)将带有双平行梁检测模块的流量计安装在标定平台上，并把应变计引线接到变送器的输入端口。

(2)检查有无泄漏情况。按照测试要求选择各个阀门的状态，开启电源，使上溢流箱蓄满水。开启流量控制阀，使下溢流箱蓄满水。

图9 变送器流量标定实验Fig．9 Results of transmitter flow calibration test

(3)关闭流量控制阀，将变送器上的调量程电位器调至最大电阻位置，再调节调零电位器，使电压表的显示为1V。

(4)将流量控制阀开启到最大位置，调节量程电位器，使得电压表的显示为5V;再关闭流量控制阀，调节调零电位器使得电压表显示为1V。

(5)对(4)进行反复操作，最终使得无流量时电压表显示1V，流量最大时，电压表显示5V。

(6)调节控制阀的开口大小，记录电压表的显示，并记录浮子流量计显示的流量值。

(7)记录完数据之后关闭电源，将各个水箱中的水回流到水槽，结束实验。

3．3 测试结果及分析

在同一流量下的变送器输出求算术平均值，将算术平均值作为该流量下变送器输出的真值，从而将算术平均值与流量一一对应，如图10(a)所示。用excel做出拟合曲线，从图中可以看出拟合曲线可以很好地反映了流量计的输入输出关系。可以利用拟合曲线的方程作为推算流量的依据。现在需要计算该方程算出值与真值之间的误差，这里还将真值取为算术平均值。真值与拟合曲线间的绝对误差如图10(b)所示。

从图10可以看出，拟合曲线与真值点之间的最大绝对误差为0．06V，因此可以计算得到最大引用误差为1．5%，能达到工业等级1．5级，与静态性能测试结果相符［3］。

图10 变送器流量标定实验Fig．10 Transmitter flow calibration test

［1］李科杰．新编传感器技术手册［M］．北京:国防工业出版社，2002:397-410．

［2］威尔逊 J S．传感器技术手册［M］．北京:人民邮电出版社，2009:335-393．

［3］张祥兵．新型中部通孔动节流流量计及其实验研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012．

［4］程晓晓．基于应变片的动平衡机测试系统的研究设计［D］．重庆:重庆大学，2011．

［5］吉林工业大学农机系，第一机械工业部农业机械科学研究院．应变电测技术［M］．北京:机械工业出版社，1978:2-9，28-33．

［6］ Burr-Brown，Inc．High precision operational amplifiers-OPA2277 datasheet［EB/OL］．http://www．datasheetcatalog．com/datasheets_pdf/O/P/A/2/OPA277．shtml

［7］ Texas Instruments，Inc．4-20mA Current Transmitter with Bridge Excitation And Linearization-XTR106 datasheet［EB/OLR］．http://www．datasheetcatalog．com/datasheets_pdf/X/T/R/1/XTR106．shtml

［8］连 迅．新型中部通孔动节流流量计及其实验研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011．