咨询服务热线
0517-86996066
18915186518

热点资讯

咨询热线:

0517-86996066

邮件:

电话:

地址: 江苏华云仪表有限公司

涡轮流量计始动流量的分析


文章日期:2018-01-06|阅读数:


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

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

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


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。


随机推荐