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孔板与信号的非线性转换
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摘要   从流体经过孔板产生信号出发,到在流量积算仪上显示流量,用四象限信号转换图直观地剖析了信号的多次转换,重点阐明了其中的非线性转换。

关键词  孔板  非线性转换   象限     增量

   在常用的测量系统中,从传感器到显示器,其信号在多个环节中的转换基本上都是线性的,而用孔板作传感器的流量测量系统,信号的转换却要经历二次非线性转换,即乘方与开方。因此,该测量系统的仪表在校验或检定时增加了一定的难度和复杂性。

   最常用的节流件是同心圆锐孔板。下面以DDZ-Ⅲ差压变送器为例,孔板流量测量系统的信号转换如图1所示。

  

                                 图1  信号转换

   其中第Ⅰ象限是孔板区,又可称乘方区。从孔板中流过的流体,在孔板的两侧产生了差压,即增量 产生了增量 ,是信号的第一次转换。该转换是非线性的, ,流量增加一位,差压要增加三倍,是指数关系。

    第Ⅱ象限是线性转换区,发生在差压变送器,随着从孔板两侧引进的差压 的增加,差压的输出电流 也成为比例增加,

第Ⅲ象限是开方区,发生在流量积算仪中,是对第一次非线性转换的逆转换,把被扭曲的关系再扭曲回来。 是从差变来的电流信号, 是积算仪内部将 开方后得到的百分值。 ,是非线性关系。由于在设计孔板时已确定了最大流量值 和相应的最大差压 ,故在积算仪投入运行前也必须输入 。积算仪径开方运算得到流量的百分值 后,还必须进行比例运算,乘上 后才得到流量瞬时值 并显示出来, ,即 ,其中 为4~20mA信号。

第Ⅳ象限是流量百分值的线性对应区,完成线性转换。图1犹如一幅弓箭图,目标为第Ⅳ象限的线性关系。

*    与I、F的对应关系见表1,其关键点是

                 表 与I、F的对应关系

                                        

 0             4              0                0            0             0

 4             8              0.25              25           0.50          0.5

 8             12             0.5               50           70.7          0.707

12             16             0.75              75           86.6          0.866

16            20            1                  100            100          1

  在图1中,F轴上的数值是最大流量 的百分值,也就是系统量程的百分值。设最大流量为3t/h,则轴上的刻度值25、50、75、100分别表示相应的流量值分别为0.75、1.5、2.25、3,单位为t/h。

* 轴上的刻度值是最大差压的百分值,如最大差压设计为40kPa,则刻度值6.25、25、56.25、100分别表示相应的 P分别为2.5、10、22.5、40,单位为kPa。

轴上的刻度值是最大电流增量的百分值。下面还标了 值和I值,即电流的最大增量 是16mA,而I是电流表上的示值, 与I相差一个零位电流(4mA)。不论 的最大值是多少,图示的关系不变。

以设计最大流量为3t/h,最大差压为40kPa为例,信号转换过程中的具体数值见图2。

                          图2 转换数据

专门与孔板配套的差压变送器,其显示流量的表盘是非线性刻度,如图3所示。现为了便于比较,在表盘的外围添加了差压变送器输出电流刻度的示意图。电流 是线性刻度,流量F是非线性刻度,与 是开方关系, 。当表头中的电流为I=8m/A时, 是4mA,占 的25%,指针指向满量程的50%处。

                  图3 流量显示表盘

在校验积算仪时一般将量分成4段5点,差压的电流信号与流量的对应关系如图4所示,可根据需要,参照图示方法任意划分段、点。

                 图4 电流信号与流量的对应关系

用孔板检测流量,技术成熟,精度高,经久耐用,虽然其测量系统的非线性给实际操作带来不便,但在掌握了四象限信号转换图后,还是能运用自如的。


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