涡轮流量计始动流量的分析
摘 要 :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。
0、前 言:
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 |
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。
图 2 叶片的旋转
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***小灵敏度 Qmin 是式(5)右边项和第二 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
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***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 | ||||
图 3 所示。 |
图3 涡轮流量计的输出特性
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。