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光纤涡轮流量计始动流量的理论分析及其实验

光纤涡轮流量计始动流量的理论分析及其实验,阐述了涡轮流量计的工作特性、理论模型, 分析了涡轮流量计的始动流量, 并介绍了一种新型光纤涡轮流量计, 给出了其试验结果, 从试验结果表明该流量计具有始动流量低、灵敏度高、线性工作区宽的特点。
在小流量测量中 ,涡轮流量计因其体积小、结构简单、价格便宜 ,被广泛地用在石油、医药、化工等领域,用来测量水、油、酒类等管道的流量。同时 ,它又具有高精度、性能可靠等优点 ,可用在航天等高科技领域, 或用做校正元件。但涡轮流量计受量程比限制, 存在较大死区 ,限制了其使用范围。因此, 降低始动流量 ,扩大线性工作区,将是涡轮流量计提高性能,扩大应用范畴的重要措施。
1、工作原理:
 涡轮流量计是速度式流量测量仪表 ,它是通过测量置于被测流体内的涡轮的旋转速度 n 来测量流量Q 的大小。涡轮流量计的特性方程式为[ 1]
n =cQ -cê ,
 式中 c 为涡轮流量计流量与转速之间的转换系数;a 为与流量计结构参数、流体性质以及流动状态有关的系数。与其相应的特性曲线如图 1 所示。
 由特性曲线可知:流量计的工作区间为 A -B 段,即特性方程线性工作区。而在流量 QA 以下时 , 流量与转速不成线性关系 ,在一定小的流量下 ,无信号输出。因此,在测量过程中, 如何降低始动流量, 提高灵敏度 ;减小死区,展宽线性工作区, 成为解决小流量测量的关键问题。
图1 涡轮流量计 Q -n 特性曲线图
图1 涡轮流量计 Q -n 特性曲线图
2、理论分析:
对涡轮流量计的理论模型作如下分析[ 2] 。叶片的旋转如图 2 所示。
设涡轮流量计内流体流向与涡轮叶片成 θ倾斜角, 若密度为 ρ的流体以速度 V 冲击叶片时, 将朝上产生与 ρVtan θ成正比的力, 此外, 由于涡轮以角
速度 ω旋转 ,故图中实际的涡轮驱动力为
  ), (1)
F r  =cρQ(V tanθ-ωr
式中 为涡轮平均旋转半径。
  r
  因为, 涡轮驱动力矩 T r  与 F r  成正比 , V 与
Q/ S(S 为流路面积)成正比 , 故将这些关系代入
式(1)得
  tan θ
  r 2
  T r  =c1 ρQ -c2 r ρQ ω. (2)
  S
涡轮在正常状态下旋转时 ,涡轮驱动力矩 T r 等于轴承摩擦等产生的机械反抗力矩 T rm 和由流动阻力产生的反抗力矩 T rf 之和 ,即
  T r  = T rm +T rf . (3)
将式(2)与式(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 .
从理论可以知道 ,决定涡轮始动流量(即涡轮流
量计的小灵敏度 Q min)的主要因素 ,涡轮起动时 ,
角速度小 , 故可以忽略阻力产生的反抗力矩 T rf  因
而式(4)可写为[ 3] .
  ω tanθ T rm
  Q =c3 -c4 2 ρQ2 . (5)
  rS r
其最小灵敏度 Qmin 是式(5)右边第以项和第二项相等时的流量。即得[ 4, 5]
  Qmin  = c4 T rm S · 1 . (6) 
  c3 r tanθ ρ
而机械反抗力矩 T rm 包括涡轮轴与轴承间的摩
擦力矩 T r1 和电磁反作用力矩 T r2 ,即
  T rm  = T r1 +T r2 . (7)
因此 ,降低机械反抗力矩 T rm , 就是减小摩擦力
矩 T r1 和电磁反作用力矩 T r2  
3  设计与实验
从式(6)可知 ,对测量介质一定, 管径一定的流体,密度 ρ为定值, c3 , c4 分别为比例常数,横截面为定值。因此 ,影响 Qmin 变化的只有 T rm(T r1 , T r2)和θ值 。
在流量计结构设计及工艺设计时 , 根据理论分析,优化设计。
(1)依据流量计分析及工艺设计的综合考虑 ,当 tanθ为最大值时, θ角定为 45°; 量 ,减小涡轮的转动惯量,使其对流速变化的响应性好 ;涡轮轴与轴承间采用轴尖支撑 , 轴承采用玛瑙,减小旋转阻力;  
(3)磁电转换器由光纤接受器取代, 消除电磁反作用力距 T r2 。同时,提高流量计的抗电磁干扰能力。减小摩擦阻力矩 T r1 , 消除电磁反作用力距T r2 ,即减小机械反抗力矩 T rm ,使 Q min 尽可能小。对所研制的 CL -4 型光纤涡轮流量计和同管径的一般磁电涡轮流量计的输出比较, 测试结果如
4、结束语:
通过理论分析及其实验数据表明:光纤涡轮流量计在采取轴尖支撑等措施后与磁电涡轮流量计相比 ,减小了始动流量,扩展其线性区, 并提高了性能。因此,将使涡轮流量计的应用更为广阔。
点击次数:  更新时间:2018-05-19 18:35:03  【打印此页】  【关闭