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      渦輪流量計儀表工作原理的分析

      作者: 人氣:發表時間:2017/7/22 18:44:52

        渦輪流量計(以下簡稱流量計)是以流體動量矩原理為基礎的流量計量儀表。有些科技文獻又將其劃分為速度式儀表,因為在一定的流量范圍內,流量計的轉動速度與流體的流速成比例關系。

          流量計使用中的主要特點:體積??;重量輕;準確度高(有的流量計可以當作計量標準儀表);反應時間快(有些可達到毫秒級);量程比寬(一般為10∶1);壓力損失??;適用工作流體溫度高;輸出為脈沖信號,故不易受到干擾;可以長距離傳輸,便于各種參數處理。當它與多功能、多參數的顯示儀表(以下簡稱儀表)組合使用時,可以同時對累積流量、瞬時流量或流體溫度、內部壓力等參數進行測量及分析、調節。

          1 流量計的工作過程

          流量計通常由渦輪(機械部分)、磁電轉換器、放大機構(電子部分)等組成。

      1——渦輪(機械部分);2——磁電轉換器;

      3——放大機構(電子部分)

      圖1 流量計構成圖

          當流體流經安裝在管道里的渦輪,即流經渦輪葉片與管道之間的間隙時,由于流體的沖擊作用,使得渦輪圍繞軸心發生旋轉。同時實驗表明,渦輪旋轉的轉數與介質流體的體積流量呈現近似的線性關系。再將渦輪的旋轉通過磁電轉換器變換成相對應的電脈沖信號,以此脈沖信號經電子放大機構放大后,即可輸送顯示儀表進行多參數物理量的指示。

          由前可知,在測量范圍內,渦輪的轉速與流量成正比,而信號的脈沖數則與渦輪的轉速成正比。所以,當我們檢測出信號脈沖總數以后,除以儀表常數ξ(次/升),便可計算得到該段時間內的介質流體總量V(升),即:

          V=N/ξ(L)    (1)

          舉一例:流量計ξ為180次/L,用儀器測出在10min內儀表計算得的脈沖數為7200次,則10min內管道中流過流體的總量為:

          V=N/ξ=7200次/180次/L=40L

          2 渦輪旋轉的基本原理

          流量計主要組件包括:導流體組件、渦輪組件、殼體、磁電轉換器和放大機構等。通過對流體流過管道及渦輪結構的分析,我們可以得出,當流體沿管道的軸線方向流動而沖擊渦輪葉片時,便有與流量Q、密度φ和流速V的乘積成比例的力作用于葉片上,推動渦輪旋轉。

      圖2 渦輪旋轉的產生示意圖

          如圖2所示,由于渦輪對·流體是作相對運動,如果渦輪旋轉的圓周速度V=w?r與軸線平行的流速與葉片的夾角為θ,流通面積為A,則介質流速V=Q/A,則推動渦輪旋轉的力矩M可用下式表示:

              (2)

          式中:K1——與流量計結構尺寸、流體質量、狀態有關的參數;r——平均半徑,常取葉片寬度1/2到中心的距離。

          由(2)式可知,力矩M除與流量Q有關外,與流體介質密度ρ、流動狀態與流向等多個因素有關。

          在渦輪旋轉時,除推動渦輪旋轉的轉動力矩M外,還同時存在阻礙渦輪旋轉的阻力矩,其中包括:介質粘度對渦輪流量計摩擦引起的阻力矩M1,軸承摩擦引起的阻力矩M2,磁電轉換器引起的磁電反應阻力矩M3。根據動量矩守恒原理,渦輪的運動方程式可以用以下函數關系式表示:

          Jdω/dt=M-M1-M2-M   (3)

          式中:J——渦輪的轉動慣量;dω/dt——渦輪的角加速度。


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