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一种新型光纤涡轮流量计始动流量的实验与分析

一种新型光纤涡轮流量计始动流量的实验与分析,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 - cɑ,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。
 2理论分析
对涡轮流量计的理论模型作如下分析。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ρV tanθ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
Fr = cρQ ( V tanθ- ωr) , (1)
式中 r 为涡轮平均旋转半径。  
因为, 涡轮驱动力矩Tr 与Fr 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
Tr = c1rtanθSρQ - c2 r2ρQω. (2)
涡轮在正常状态下旋转时,涡轮驱动力矩Tr 等于轴承摩擦等产生的机械反抗力矩Trm 和由流动阻力产生的反抗力矩Trf 之和,即
Tr = Trm + Trf . (3)
将式(2) 与式(3) 整理得
ω/Q= c3tanθ/rS- c4=Trm/r2ρQ2 - c4=Trf/r2ρQ2 , (4)
式中 c3 = c1/ c2 ; c4 = 1/ c2 .从理论可以知道,决定涡轮始动流量(即涡轮流量计的蕞小灵敏度Qmin) 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Trf 因而式(4) 可写为
ω/Q= c3tanθ/rS- c4=Trm/r2ρQ2 . (5)
蕞小灵敏度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 Trm S/c3 rtanθ· 1/ρ. (6)
而机械反抗力矩Trm 包括涡轮轴与轴承间的摩擦力矩Tr1 和电磁反作用力矩Tr2 ,
即Trm = Tr1 + Tr2 . (7)
因此,降低机械反抗力矩Trm ,就是减小摩擦力矩Tr1 和电磁反作用力矩Tr2 。
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Trm ( Tr1 , Tr2) 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为蕞大值时,θ角定为45°;
(2) 涡轮采用材质轻的ABS 工程塑料, 减轻质量,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Tr2 。同时,提高流量计的抗电磁干扰能力。
减小摩擦阻力矩Tr1 , 消除电磁反作用力距Tr2 ,即减小机械反抗力矩Trm ,使Qmin 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,测试结果如图3 所示。
光纤涡轮流量计在0. 2 L/ min的流量下,有信号输出;且从图中可看出,其线性得到提高。
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:2017-12-02 18:06:23  【打印此页】  【关闭