孔板与信号的非线性转换

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

  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。

在 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。