一种悬浮陀螺式质量流量计的研究

2013-08-06 14:53:20来源: 21ic
1. 引 言

随着工业水平的不断提高,人们对流量计量的要求也越来越高,目前发展的趋势是单纯的体积流量测量已不能满足工业要求,而质量流量测量作为一种更加稳定的,更符合生产和贸易输送需求的计量方法得到了广大用户的青睐。

我们所研究的新型悬浮陀螺式质量流量计利用双通道法实现质量流量测量,具有结构简单,适用于脏污流及两相流的测量,抗震性好,传感器无须外部供电,使用寿命长等特点。下面首先介绍悬浮陀螺流量计的结构与工作原理。

2. 悬浮陀螺质量流量计的结构

悬浮陀螺流量传感器的壳体主要由收缩段、喉段、渐扩段、腹段和尾段组成,如图1所示。壳体内部封有一个带中心通孔的小球,小球的里面与通孔垂直的方向上装有磁环。入口和尾部的收缩段与中部的渐扩段使得传感器的前后产生一定的压差,可以用差压传感器测取这个差压值。

当流体从入口流进壳体时,小球会悬浮起来,稳定在某势阱位置。当流量达到一定值时,小球会绕某个固定的轴旋转起来,并随着流量的增大而加快,小球的转速和流量基本呈线性关系。在传感器的外部有感应线圈,根据法拉第电磁感应定律,小球的旋转使得导线切割磁力线,产生电压脉冲信号。该脉冲信号的频率完全可以反映球的旋转频率,此频率也正比于流体的体积流量。小球的旋转频率与流体体积流量的关系可写成如下表达式:

f=K2qv (1)

式中 f-----小球的旋转频率(可通过频率计检测出来),Hz;

K2-----传感器的体积流量系数。
入口和尾部的收缩段与中部的渐扩段产生的压差信号,通过差压传感器检出,这路信号可表示为:

式中 qv----被测流体体积流量,m3/s;
p1---传感器前的压力,pa;
p2---传感器后的压力,pa;
ρ----工作状况下被测流体的密度,kg/m3;
k1---传感器的差压流量系数。

上式可改写成:

(2)

式中 △p——传感器前、后压差,即(p1- p2);


将式(1)、(2)的两边分别相除,得

(3)

式中 qm—被测流体的质量流量,

K—传感器的质量流量系数。

式(3)是基于双通道信号检测原理的新型质量流量计的流量方程式。从该方程式可以看出,此新型流量计和传统的流量仪表不同,当被测流体流经传感器时会同时产生两个信号,而且这两个信号都和流量有内在的物理联系,通过灵活应用,便得到了上面所示的质量流量测量结果。


3. 理论分析

悬浮陀螺流量计工作的物理基础是流体动力学悬浮效应和动量矩原理。前者可以保证小球稳定悬浮,后者将流体动能转化为机械能,再转换为电能进行流量测量。

流体动力学悬浮效应是指在一定流体动力学条件下,位于有限管道中的流体中的旋转体不与管壁接触,也不会被流体冲走而是固定某一位置,处于动态平衡状态。因为特殊的压力分布,小球能稳定悬浮于流体中某一点(悬浮点)。 在悬浮点满足以下两个条件(假设F是由悬浮点出发的向量,在悬浮点处r=0):

式中——流体作用于悬浮体上各个方向的力;
Fr—任一方向上的作用力;
Kr— r方向上流体动力悬浮的刚度系数。

将小球所受的空间力分解为三方向的力:X向(轴向)、y向(径向)、z向(横向),由于球在z向上受的力总相等(因为球和管道相对于管道轴线是对称的),所以对球在z向上受力不做分析,只对球在轴向、y向上受力情况进行分析。
[1] [2]

关键字:质量流量计  悬浮陀螺  流量测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0806/article_7675.html
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