摘要：

   将金属杆应变的线性特性，应用于靶式流量计的靶杆中。通过检测靶式流量计靶杆内的应变（应变靶杆），达到检测流体流量的目的。

关键词：

   应变 线性特性 靶式流量计 应变靶杆

1、 应变原理

1.1、 材料在外力作用下的应变特性

    当外力不超过一定范围时，绝大多数材料在去除外力后能恢复原有形状和尺寸，材料的这种性质称为弹性，去除外力后变形消失称为弹性变形。当外力过大时，外力去除后，变形只能部分恢复而残留下一部分不能恢复的变形，材料的这种性质称为塑性，这种不能恢复而残留下一部分不能消失的变形称为塑性变形（或称残余变形）。在实际应用中，我们要求金属材料只发生弹性变形，这样就可以利用弹性变形的性质，测量金属杆应力的变化即应变。

1.2、金属材料应变的线性特性

    以低碳钢材料为例，低碳钢材料的应力σ = 与应变ε= 的关系曲线，

    即应力 -应变图如图1（截面面积A和长度 ，外力F）。图中0a段为 直线 ，这时应力与应变成线性关系即虎克定律成立。

σ=Eε

    其中：a点对应的应力σ p 称为比例极限，它是应力与应变成 线性 关系的最大应力。图 1中的正切tgα= =E，即直线0 a（线性段） 的斜率等于材料的弹性模量E。

2、利用金属应变的线性特性测量靶杆的应变

2.1、靶式流量计靶杆的力平衡原理

    图 2所示，流体流量（Q）作用靶片（3）上的力F1，以密封膜片（2）为支点，使靶杆（1）（主杠杆）上端产生一个相反的作用力F2，再经矢量机构（6）之传递，得到一向上的力为F3，牵动付杠杆（10）传至动圈（12）处的力为F4，方向是使动圈远离磁钢。同时支杠杆带动检测片（7）靠近检测变压器（8），使放大器输出电流增加，此电流流经动圈，它在永磁回路的气隙中与磁场作用产生一电磁力F5，方向是使动圈靠近磁钢与输入反荷，成为负反馈力，当F5与F4近似相等时，整个系统达到平衡状态，输出电流对应其输入力。

          其中：1、靶杆（主杠杆）            2、密封膜片

                3、靶片（圆形）              4、密封圈（凸钢圈）

                5、法兰                      6、矢量机构

                7、检测片                    8、检测变压器

                9、放大器                    10、付杠杆

                11、工艺管道（流量Q，靶力F） 12、动圈

2.2、应变靶杆原理

    从图 2中，靶式流量计的力平衡原理得知，靶杆的作用只是以密封膜片为中心传递力。通过图1的应变分析发现，靶杆在外力F1的作用下，靶杆内将产生应变，利用金属应变的线性特性，就可以检测出靶式流量计中靶杆的应变变化。办法就是将电阻应变片贴在靶杆内，通过检测靶杆内应变的变化量，实现靶式流量计的测量。即在靶式流量计中，作用在靶片上的力F1，通过靶杆的应变直接检测出应变的变化量。此靶杆定义为“ 应变靶杆” 。

3、应变靶杆的测量方法

    电阻应变测量法是指以电阻应变片为传感元件，将应变量转换为电阻变化量，然后用电阻应变仪测出电阻变化量，从而得到应变的方法，简称为电测法。

    电阻应变片（简称应变片）是把应变这个机械量转换为电阻变化量的一种传讯元件，它的工作原理是利用金属丝的电阻应变效应，即当金属丝的变形量在一定范围内时，其线应变与电阻变化率之间存在着线性关系，即

                                          =Kε

    式中 R为金属丝的初始电阻值，△R为金属丝变形后电阻的改变量，ε为金属丝线应变，K是比例常数，它与金属丝的电阻率、横向变形系数等有关，称为应变片的灵敏系数。

    常用电阻应变片主要有线绕式和箔式两种。一般应变片的电阻值为 120Ω，灵敏系数约为2.0。电阻应变片实例如下：

    MBT-700-1型高温电阻应变片是采用6c-18铁铬铝丝和英国u-529高温粘结剂研制而成。它具有结构简单，使用可靠性能良好等优点。其热输出特性在600～700℃温度范围内随温度变化小于1Mε。

          技术水平：国内同类产品先进水平。

          主要技术指标：电阻值 120Ω；标距8mm。

          灵敏系数 K\-02.5k\-c1.99。

          灵敏系数随温度变化 3%/100℃。

          热输出〈 1με/℃。

          量漂 -53με/h变57με( ± 1000με)

    在实际应用中，应变片电阻的变化非常小，难以直接测量，因此常用灵敏度较高的电桥电路，通过桥路输出电压的变化来换算电阻的变化。目前均采用惠斯登电桥电路，原理图略。

    当被测环境温度发生变化时，会引起应变片的电阻值发生变化，这种现象称为温度效应。温度效应将影响测量结果，必须加以排除，排除温度效应的措施，采用温度补偿。常用的一种温度补偿方法是选取两片各种参数完全相同的应变片，其中一片贴在一块与被测结构材料相同，不受外力作用的物体上，并与被测构件处于同一温度环境中，称为温度补偿片。

4、应变靶杆应用的几点说明

    1）、应变靶杆实现了应变片与被测介质隔离。即应变片贴在靶杆内。见图3及A-A剖面（图4）。

                             其中： 1、应变靶杆                 2、靶片(圆形）

                                    3、密封圈（凸钢圈）         4、法兰

                                    5、工艺管道（流量Q，靶力F） 6、应变片引线

                                 其中 ： 1、应变片 2、应变靶杆

    2）、应变靶杆与靶片之间接触面尽量最小，见图3。

    3）、当流体流过靶片时，靶杆将产生应变效应，贴在靶杆内的应变片即应变靶杆将测出应变的变化。调整应变靶杆上作用力的大小，可以实现靶式流量计的全部功能。仿照靶式测量的方法，可调整靶片的大小或应变靶杆的长度来改变应变值，保证应变靶杆的应变在弹性变形范围内变化，不超过比例极限。

    4）、为防止温度效应发生，在法兰中心孔内，贴一片不受应变变化的应变片来克服温度效应的产生，并将应变电阻分别接在惠斯登电桥相邻的两个桥臂中。

5、 结束语

    将靶式流量计靶杆的机械力平衡原理改进为应变靶杆原理的测量方法。具有如下优点：

①、靶式流量计常用的测量方式是将流体力学中的力，通过靶杆转换为矢量或位移。改进后是将流体力学的力，通过应变片将靶杆内的应变值检测出来，因取消了位移传感部分，结构更加简单。

②、将应变片贴于靶杆内，解决了密封膜片的介质密封问题。

③、解决了密封膜片疲劳后损坏，造成介质泄露问题。

④、应变片采用耐高温应变片（600～800℃），使得适应环境更广泛。

⑤、为防止温度效应发生，造成测量值漂移，在法兰中心孔内，贴一片不受应变变化的应变片，克服温度效应的产生。

结束