在工業生產中，液位、壓力、流量與溫度統稱四大熱工工藝參數。固體物料種類繁多，物理特性差異很大，對其流量的測量與氣體和液體相比是相對困難的，測量手段和方法較少，一直是測量領域的難題，常用方法主要有電子皮帶稱、電子核子稱、沖板式流量計等，但普遍測量精度較低，相對而言沖板式流量計測量機理科學，理論依據充分，結構簡單，傳統沖板式流量計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。為適應工業生產中對固體物料計量大流量高精度的要求，對其進行技術改造是很有必要的。

    1 沖板流量計的測量機理

    當物料從高度為h處，以自由下落方式沖擊沖擊板時，有沖擊力F1

       （1）

    F1可以分解為一個重力Fp和一個水平分力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，流量計制造安裝完成后α，β，h均為常數，Fm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動態在線測量***為理想的測量方法，測量水平分力是為了減少因常時間使用沖擊板磨損重量減輕對測量精度影響。

圖1　沖板流量計工作原理圖

    2　沖板流量計的結構及工作原理

    傳統沖板流量計由機械測量機構和變送器兩部分組成。機械測量機構由沖擊板、浮動框架、測力彈簧和差動變壓器傳感器組成，沖板受到被測物料沖擊擊時，垂直分力Fp被裝置剛性結構完全平衡掉。其水平分力Fm帶動浮動框架擺一個距離，此距離的大小與測力彈簧的彈性模量有關，彈簧的彈性模量由公式計算所得，此距離通常在2mm左右。為增加過載能力，裝置內裝有硅油阻尼筒，為使機構穩定，還加有重錘平衡機構。

    變送器采用的是差動變壓器作為傳感器，被測物料沖擊到沖擊板上，水平分力Fm使浮動框架擺動帶動差動變壓器的磁芯左右移動，當磁芯偏移對稱位置時，差動變壓器有毫伏正弦波電壓信號輸出。變送器包括震蕩、穩幅、放大、檢波、濾波和V/F轉換電路組成，***終把差動變壓器的測量信號轉變為抗干擾的電流脈沖信號，通過兩線制線路輸送給脈沖頻率調制器，經過脈沖頻率調制器解調，將頻率信號輸送給測控顯示儀表，經測控顯示儀表運算處理，可獲得固體物料瞬時流量對應的4～20mA電流信號給調節器進行PID調節。

    3 沖板流量計技術改進的必要性

    傳統沖板流量計是原聯邦德國倍加福（E+H）公司20世紀80年代初發明的，受當時技術條件限制，傳感器采用的是差動變壓器，變送器采用的是常規儀表電路，電路轉換次數太多，線性度和精度都不高。機械測量機構動作部件多，極易造成磨損，給維修和使用帶來很大不便，另一個主要原因，倍加福（E+H）公司已不再生產固體物料沖板流量計了，已將該專利轉讓給美國拉姆齊公司，這就造成國內一些用戶無處購買配件的尷尬境地。有必要對傳統沖板流量計進行技術更新。

    4 流量計技術改造方案

    隨著科學技術的發展，新型傳感器和大規模集成電路的出現，尤其是單片機體積越來越小，計算速度越來越快，儲存容量越來越大。利用芯片技術對傳統的常規儀表進行升級和換代，使其具有數據處理、顯示、存儲及通信等功能，成為智能化儀表，傳統儀表的智能化已成為必然趨勢，國內在沖板流量計智能化方面的研究，遠不如電子皮帶稱和電子核子稱，不能適應工業生產對計量裝置智能化、高精度和多功能的要求。

    改造后沖板流量計由傳感器、測量機構、二次儀表（積算儀）三部分組成。

    4.1 傳感器

    傳感器采用技術成熟，精度高，成本低，應用廣泛的應變式稱重傳感器，其主要特點，結構簡單緊湊，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　測量機構

    測量機構由沖擊板和立軸（焊接成一體）及上下支點組成，稱重傳感器安裝沖擊板后面見圖3。被測物料沖擊到沖板上，沖擊力可分解為一個水平分力Fm和垂直分力Fp。其中垂直力Fp，被上下支點產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為中心，向后發生水平方向旋轉。利用稱重傳感器把水平分力Fm轉換成電信號。

圖3　側視圖

    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變為線性的毫伏電壓輸出。經由低漂移的儀用直流放大器放大至A/D轉換器所需的電壓幅度，再通過高精度A/D轉換將模擬電壓變換成相應的數字量，由CPU進行運算處理，***后在LCD上將固體物料的瞬時流量和累積流量顯示出來，輸出的4～20mA信號可以控制給料機進行PID調節。

    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工作狀態和設定參數；測皮重和去皮；計算瞬時流量和累積量；顯示測量數據；自動報警；4～20mA信號輸出；儀表具有自檢；斷電保護；與上位計算機通信等功能。

    4.3.2　二次儀表結構圖

    二次儀表功能結構如圖4所示。

圖4　二次儀表結構圖

    4.3.3　二次儀表性能指標

    1）準確度等級為0.5級、1.0級；
    2）線性度≤0.003%；
    3）重復性≤0.008%；
    4）零點漂移≤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）機械振動影響≤0.003%；
    10）環境溫度0～40℃；
    11）相對濕度≤85%.

    5　結束語

    沖板流量計是一種比較理想的固體物料動態在線測量儀表，就其技術而言是成熟的，實際應用也是可行的。在目前固體物料動態測量方法不多的情況下，為了進一步提高現有的沖板固體流量計性能、精度和智能化，對其進行技術改造是很有必要的，是改善當前固體物料流量測量困難和精度不高現狀的有效途徑。