沖板流量計(jì)是80年代初，由原聯(lián)邦德國E+H公司，首先研制的一種先進(jìn)的散狀固體物料質(zhì)量流量動(dòng)態(tài)秤。理論依據(jù)充分，測量原理先進(jìn)，但傳統(tǒng)沖板流量計(jì)的變送器和傳感器，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制不夠先進(jìn)，采用的是差動(dòng)變壓器傳感器和常規(guī)電路變送器，電路轉(zhuǎn)換次數(shù)太多精度不高，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)，使的傳統(tǒng)常規(guī)儀表升級換代成為可能。

    1 沖板流量計(jì)的測量機(jī)理

    沖板流量計(jì)的測量機(jī)理如圖1所示。

圖1　沖板流量計(jì)工作原理圖

    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；qm為物料的質(zhì)量；α為落料角；β為沖擊板與水平面夾角；g為自由落體加速度；h為垂直距離。

    從式（2）看出，儀表制造安裝完成后α，β，h皆為常數(shù)，F(xiàn)m與瞬時(shí)流量成正比并且線性，F(xiàn)m的大小，不受被測物料的（如種類、密度、粒度、）等因素變化的影響，是散狀固體物料在連續(xù)動(dòng)態(tài)情況下在線測量zui為理想的測量方法。

    2 傳統(tǒng)沖板流量計(jì)變送器的結(jié)構(gòu)

    采用的是差動(dòng)變壓器傳感器，當(dāng)固體物料沖擊沖板時(shí)，浮動(dòng)框架與沖板一起前后擺動(dòng)，浮動(dòng)框架的擺動(dòng)帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的磁芯左右移動(dòng)，磁芯偏移對稱位置時(shí)，差動(dòng)變壓器有信號輸出到變送器。變送器包括震蕩、穩(wěn)幅、放大、信號調(diào)制、電平比較、檢波、濾波、波形整形和V/F等電路轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號，采用兩線制輸出，將頻率信號輸出給積算儀表，經(jīng)積算儀表運(yùn)算處理后，即可獲得固體物料瞬時(shí)流量或?qū)?yīng)的4～20mA電流信號，給調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。電路太復(fù)雜，轉(zhuǎn)換次數(shù)太多，使得精度和線性度都下降。

    3 新型沖板流量計(jì)變送器的設(shè)計(jì)

    新型變送器選用低漂移4～20mA兩線制芯片XTR101，XTR101是美國BB公司推出的包含有儀用放大器在內(nèi)的4～20mA的U/I轉(zhuǎn)換單片集成電路，片內(nèi)集成有精密的恒流源、匹配精密電阻和放大器，可以將壓力傳感器的差分形式的毫伏級電壓信號直接轉(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出信號，由于輸出的4～20mA電流信號，所以可遠(yuǎn)距離傳送。

    輸入采用差分式，可以直接輸入毫伏電壓信號。對熱電偶、熱電阻、壓力應(yīng)變、電橋等傳感信號直接放大變送，是一種比較理想的變換器件。

    3.1 XTR101的功能特征

    電壓漂移≤30V；溫度漂移≤0.75μV/℃；非線性失真≤0.01%；電源和信號輸出共用2條線；向外提供2個(gè)獨(dú)立的1mA恒流源；輸出電流4～20mA；工作環(huán)境溫度-40～+85℃；電壓范圍11.6～40V。

    3.2　XTR101的工作原理及計(jì)算

    XTR101的內(nèi)部簡化電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　XRT101內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　N1、N2運(yùn)算放大器作為儀用放大器，由N3、R1和R2構(gòu)成電流源，由于運(yùn)算放大器在線工作時(shí)，其兩個(gè)輸入端電位近似相等，當(dāng)輸入信號分別加N1、N2運(yùn)放的兩相端時(shí)，6、4腳是等電位，5、3腳是等電位。故量程調(diào)節(jié)端5、6腳電位差即為輸入信號Ui，并形成量程電流（IS=Ui/RS）。當(dāng)Ui=0時(shí)，內(nèi)部與兩路恒流源（分別為1mA）I1、I2一起輸出電流時(shí)I0=4mA（變送器的零位輸出），當(dāng)Ui不為零時(shí)，則有電流IS流過Ui使輸出電流I0增加。為使在滿量程輸入，即Ui為zui大時(shí)，I0達(dá)到20mA的標(biāo)準(zhǔn)滿量程電流，可以通過確定RS量程電阻實(shí)現(xiàn)。RS可由下式計(jì)算：

       （3）

    取I₀=I_0max=20mA，Ui=U_imax即可得RS值。

    4　傳感器的選擇及安裝形式

    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。稱重傳感器大量使用橋式電路。它的激勵(lì)電源根據(jù)補(bǔ)償方法的不同分為恒壓供電和恒流供電兩種形式，XTR101則提供的是1mA和2mA恒流源，因此比較適合恒流供電形式的稱重傳感器，XTR101適合滿量程輸出為10～100mV的稱重傳感器，這兩點(diǎn)選擇傳感器時(shí)需要注意。

    應(yīng)變式稱重傳感器安裝在沖擊板上，稱重傳感器可將作用于其上的重力變?yōu)榫€性的毫伏電壓輸出，該信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號送至積算儀，積算儀計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量并顯示。

    5　實(shí)驗(yàn)電路

    具體電路如圖3所示。

D—保護(hù)二極管防止電源接反；C1，C2—旁路電容；RS—量程電阻

圖3　實(shí)驗(yàn)電路

    6　結(jié)束語

    XTR101可以很方便地把各種線性的差動(dòng)毫伏信號，直接轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。采用XTR101的變送器不但線路簡單，而且穩(wěn)定可靠，調(diào)整方便，且不易受干擾而深受用戶的歡迎。

    沖板流量計(jì)測得與固體流量成正比的線性毫伏信號，該信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號送至積算儀，積算儀可以選擇通用型智能流量積算儀表，通用型多功能智能流量積算儀表是一種計(jì)量用的二次儀表，與一次傳感器配合可以計(jì)量液體或氣體的質(zhì)量流量和體積流量。品種較多，選擇范圍寬，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域，選擇這樣的流量積算儀不但可以大幅度降低成本、提高精度、增加可靠性，操作也相對容易，而且很容易實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)通訊。