孔板流量计与信号的非线性转换
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。
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。
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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 http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069159958725543.jpg 产生了增量 http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069160582729437.jpg ，是信号的次转换。该转换是非线性的， http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069161830737868.jpg ，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 http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069163078745219.jpg 的增加，差压的输出电流 http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069164326753299.jpg 也成为比例增加， http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069165574761275.jpg 。
第Ⅲ象限是开方区，发生在流量积算仪中，是对次非线性转换的逆转换，把被扭曲的关系再扭曲回来。 http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069166978770882.jpg 是从差变来的电流信号， http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069168226778303.jpg 是积算仪内部将 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069097402324328.jpg 开方后得到的百分值。 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069103798365258.jpg ，是非线性关系。由于在设计孔板时已确定了流量值 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069107542389809.jpg 和相应的差压 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069109882404818.jpg ，故在积算仪投入运行前也必须输入 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069111754416272.jpg 。积算仪径开方运算得到流量的百分值 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069114718435416.jpg 后，还必须进行比例运算，乘上 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069116122444259.jpg 后才得到流量瞬时值 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069117838455580.jpg 并显示出来， http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069119398465983.jpg ，即 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069121582479557.jpg ，其中 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069123766493351.jpg 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。
http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069125794506277.jpg 与I、F的对应关系见表1，其关键点是 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069127510517533.jpg http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069128290522997.jpg 。
表 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069129382529725.jpg 与I、F的对应关系
http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069130630537961.jpg http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069132814551271.jpg http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069134686563324.jpg http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069136246573531.jpg http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069137650582427.jpg http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069138898590958.jpg
0 40000
4 80.25 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 1100 100 1
在图1中，F轴上的数值是流量 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069139834596141.jpg 的百分值，也就是系统量程的百分值。设流量为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。
http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069141238605739.jpg 轴上的刻度值是差压的百分值，如差压设计为40kPa，则刻度值6.25、25、56.25、100分别表示相应的 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069142330612753.jpg P分别为2.5、10、22.5、40，单位为kPa。
在 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069143734621679.jpg 轴上的刻度值是电流增量的百分值。下面还标了 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069144826628421.jpg 值和I值，即电流的增量 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069146386638321.jpg 是16mA，而I是电流表上的示值， http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069147946648764.jpg 与I相差一个零位电流（4mA）。不论 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069149662659427.jpg 的值是多少，图示的关系不变。
以设计流量为3t/h，差压为40kPa为例，信号转换过程中的具体数值见图2。
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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 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069152002674528.jpg 是线性刻度，流量F是非线性刻度，与 http://img77.mtnets.com/5/20210323/637521069153094681796.jpg 是开方关系， http://img80.mtnets.com/5/20210323/637521069154186688732.jpg 。当表头中的电流为I＝8m/A时， http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069155278695457.jpg 是4mA，占 http://img78.mtnets.com/5/20210323/637521069156682704535.jpg 的25％，指针指向满量程的50％处。
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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。
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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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