渦輪流量計始動流量的分析
摘 要 :闡述了渦輪流量計的工作特性、理論模型, 分析了渦輪流量計的始動流量, 并介紹了一種新型光纖渦輪流量計, 給出了其試驗結(jié)果, 從試驗結(jié)果表明該流量計具有始動流量低、靈敏度高、線性工作區(qū)寬的特點。
0、前 言：
在小流量測量中 ,渦輪流量計因其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 ,被廣泛地用在石油、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域,用來測量水、油、酒類等管道的流量。同時 ,它又具有高精度、性能可靠等優(yōu)點 ,可用在航天等高科技領(lǐng)域, 或用做校正元件。但渦輪流量計受量程比限制, 存在較大死區(qū) ,限制了其使用范圍。因此, 降低始動流量 ,擴大線性工作區(qū),將是渦輪流量計提高性能,擴大應(yīng)用范疇的重要措施。
1、工作原理：
渦輪流量計是速度式流量測量儀表 ,它是通過測量置于被測流體內(nèi)的渦輪的旋轉(zhuǎn)速度 n 來測量流量Q 的大小。渦輪流量計的特性方程式為[ 1]
n =cQ -cê ,
式中 c 為渦輪流量計流量與轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換系數(shù);a 為與流量計結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體性質(zhì)以及流動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。與其相應(yīng)的特性曲線如圖 1 所示。
由特性曲線可知:流量計的工作區(qū)間為 A -B 段,即特性方程線性工作區(qū)。而在流量 QA 以下時 , 流量與轉(zhuǎn)速不成線性關(guān)系 ,在一定小的流量下 ,無信號輸出。因此,在測量過程中, 如何降低始動流量, 提高靈敏度 ;減小死區(qū),展寬線性工作區(qū), 成為解決小流量測量的關(guān)鍵問題。
| 圖1 | 渦輪流量計 Q -n 特性曲線圖 |
2、理論分析：
對渦輪流量計的理論模型作如下分析[ 2] 。葉片的旋轉(zhuǎn)如圖 2 所示。
圖 2 葉片的旋轉(zhuǎn)
設(shè)渦輪流量計內(nèi)流體流向與渦輪葉片成 θ傾斜角, 若密度為 ρ的流體以速度 V 沖擊葉片時, 將朝
| 上產(chǎn)生與 ρVtan θ成正比的力, 此外, 由于渦輪以角 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 速度 ω旋轉(zhuǎn) ,故圖中實際的渦輪驅(qū)動力為 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| ), | (1) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| F r =cρQ(V tanθ-ωr | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 式中 | 為渦輪平均旋轉(zhuǎn)半徑。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| r | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 因為, 渦輪驅(qū)動力矩 T r 與 F r 成正比 , V 與 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Q/ S(S 為流路面積)成正比 , 故將這些關(guān)系代入 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 式(1)得 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| tan θ | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| r | 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| T r =c1 | ρQ | -c2 r | ρQ ω. | (2) | |||||||||||||||||||||||||||||
| S | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 渦輪在正常狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)時 ,渦輪驅(qū)動力矩 T r 等 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 于軸承摩擦等產(chǎn)生的機械反抗力矩 T rm 和由流動阻 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 力產(chǎn)生的反抗力矩 T rf 之和 ,即 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| T r = T rm +T rf . | (3) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 將式(2)與式(3)整理得 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| ω | tanθ | T rm | T rf | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Q | =c3 | -c4 | 2 ρQ2 | -c4 | 2 ρQ 2 | , (4) | |||||||||||||||||||||||||||
| rS | r | r | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 式中 c3 =c1/ c2 ;c4 =1/c2 . | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 從理論可以知道 ,決定渦輪始動流量(即渦輪流 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 量計的***小靈敏度 Q min)的主要因素 ,渦輪起動時 , | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 角速度小 , 故可以忽略阻力產(chǎn)生的反抗力矩 T rf 因 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 而式(4)可寫為[ 3] . | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| ω | tanθ | T rm | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Q | =c3 | -c4 | 2 ρQ2 | . | (5) | ||||||||||||||||||||||||||||
| rS | r | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 其***小靈敏度 Qmin 是式(5)右邊項和第二 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 項相等時的流量。即得[ 4, 5] | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Qmin = | c4 T rm S | · | 1 | . | (6) | ||||||||||||||||||||||||||||
| c3 r tanθ | ρ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 而機械反抗力矩 T rm 包括渦輪軸與軸承間的摩 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 擦力矩 T r1 和電磁反作用力矩 T r2 | ,即 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| T rm = T r1 +T r2 . | (7) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 因此 ,降低機械反抗力矩 T rm , 就是減小摩擦力 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 矩 T r1 和電磁反作用力矩 T r2 | 。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3 設(shè)計與實驗 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 從式(6)可知 ,對測量介質(zhì)一定, 管徑一定的流 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 體,密度 ρ為定值, c3 , c4 分別為比例常數(shù),橫截面為 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 定值。因此 ,影響 Qmin 變化的只有 T rm(T r1 | , T r2)和 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| θ值 。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝設(shè)計時 , 根據(jù)理論分 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 析,優(yōu)化設(shè)計。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| (1)依據(jù)流量計分析及工藝設(shè)計的綜合考慮 , | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 當 tanθ為***大值時, θ角定為 45°; | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 量 ,減小渦輪的轉(zhuǎn)動慣量,使其對流速變化的響應(yīng)性 | ||||
| 好 ;渦輪軸與軸承間采用軸尖支撐 , 軸承采用瑪瑙, | ||||
| 減小旋轉(zhuǎn)阻力; | ||||
| (3)磁電轉(zhuǎn)換器由光纖接受器取代, 消除電磁反 | ||||
| 作用力距 T r2 。同時,提高流量計的抗電磁干擾能力。 | ||||
| 減小摩擦阻力矩 T r1 , 消除電磁反作用力距 | ||||
| T r2 ,即減小機械反抗力矩 T rm ,使 Q min 盡可能小。 | ||||
| 對所研制的 CL -4 型光纖渦輪流量計和同管 | ||||
| 徑的一般磁電渦輪流量計的輸出比較, 測試結(jié)果如 | ||||
| 圖 3 所示。 | ||||
圖3 渦輪流量計的輸出特性
號輸出 ;且從圖中可看出,其線性得到提高。