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渦輪流量計(jì)顯示屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)與原理分析

 渦輪流量計(jì)(以下簡稱流量計(jì))是以流體動量矩原理為基礎(chǔ)的流量計(jì)量儀表。有些科技文獻(xiàn)又將其劃分為速度式儀表,因?yàn)樵谝欢ǖ牧髁糠秶鷥?nèi),流量計(jì)的轉(zhuǎn)動速度與流體的流速成比例關(guān)系。
  渦輪流量計(jì)使用中的主要特點(diǎn):體積?。恢亓枯p;準(zhǔn)確度高(有的流量計(jì)可以當(dāng)作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀表);反應(yīng)時間快(有些可達(dá)到毫秒級);量程比寬(一般為10∶1);壓力損失?。贿m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(shù)處理。當(dāng)它與多功能、多參數(shù)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(nèi)部壓力等參數(shù)進(jìn)行測量及分析、調(diào)節(jié)。
1 渦輪流量計(jì)的工作過程
  渦輪流量計(jì)通常由渦輪(機(jī)械部分)、磁電轉(zhuǎn)換器、放大機(jī)構(gòu)(電子部分)等組成。
渦輪流量計(jì)構(gòu)成圖
  當(dāng)流體流經(jīng)安裝在管道里的渦輪,即流經(jīng)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(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時實(shí)驗(yàn)表明,渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)與介質(zhì)流體的體積流量呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。再將渦輪的旋轉(zhuǎn)通過磁電轉(zhuǎn)換器變換成相對應(yīng)的電脈沖信號,以此脈沖信號經(jīng)電子放大機(jī)構(gòu)放大后,即可輸送顯示儀表進(jìn)行多參數(shù)物理量的指示。
  由前可知,在測量范圍內(nèi),渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比,而信號的脈沖數(shù)則與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。所以,當(dāng)我們檢測出信號脈沖總數(shù)以后,除以儀表常數(shù)ξ(次/升),便可計(jì)算得到該段時間內(nèi)的介質(zhì)流體總量 V(升),即:
V=N/ξ(L) ???????????(1)
舉一例:流量計(jì)ξ為 180 次/L,用儀器測出在10,min 內(nèi)儀表計(jì)算得的脈沖數(shù)為 7,200 次,則 10,min內(nèi)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(zhuǎn)的基本原理
  渦輪流量計(jì)主要組件包括:導(dǎo)流體組件、渦輪組件、殼體、磁電轉(zhuǎn)換器和放大機(jī)構(gòu)等。通過對流體流過管道及渦輪結(jié)構(gòu)的分析,我們可以得出,當(dāng)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(zhuǎn)。
渦輪旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生示意圖
  如圖 2 所示,由于渦輪對流體是作相對運(yùn)動,如果渦輪旋轉(zhuǎn)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(zhì)流速 V=Q/A,則推動渦輪旋轉(zhuǎn)的力矩 M 可用下式表示:
M=K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ ???????????(2)
  式中:K1——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、流體質(zhì)量、狀態(tài)有關(guān)的參數(shù);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(guān)外,與流體介質(zhì)密度ρ、流動狀態(tài)與流向等多個因素有關(guān)。
  在渦輪旋轉(zhuǎn)時,除推動渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動力矩 M外,還同時存在阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)的阻力矩,其中包括:介質(zhì)粘度對渦輪摩擦引起的阻力矩 M1,軸承摩擦引起的阻力矩 M2,磁電轉(zhuǎn)換器引起的磁電反應(yīng)阻力矩M3。根據(jù)動量矩守恒原理,渦輪的運(yùn)動方程式可以用以下函數(shù)關(guān)系式表示:
Jdω/dt=M-M1-M2-M3????????? (3)
  式中:J——渦輪的轉(zhuǎn)動慣量;dω/dt——渦輪的角加速度。
  由(3)式可知,當(dāng) dω/dt 為零時,渦輪以角速度ω作勻速轉(zhuǎn)動;當(dāng)流量發(fā)生變化時,dω/dt≠0,渦輪將作加速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,經(jīng)過一段時間后,隨著流量的穩(wěn)定,渦輪又會達(dá)到新的力矩平衡狀態(tài),即 dω/dt 又等于零值。就是說,渦輪將以另一新的角速度勻速旋轉(zhuǎn),以適應(yīng)新的流量,并出現(xiàn)了新的穩(wěn)定狀態(tài)。
  通過分析和計(jì)算可知,在 dω/dt=0 時,渦輪轉(zhuǎn)動角速度ω與體積流量 Q 有如下式的近似關(guān)系:
ω=ξQ-ξa ???????????(4)
  式中:a——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體介質(zhì)、流動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù);ξ——流量計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù),當(dāng)介質(zhì)流量大于某一數(shù)值時,在一段區(qū)間內(nèi)可以近似看作為一常數(shù),有時也稱為儀表常數(shù)。
  儀表常數(shù)ξ是流量計(jì)重要的特性參數(shù),由于流量計(jì)是通過磁電轉(zhuǎn)換器將角速度ω 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù),因而我們可以把ξ看成是單位體積流量 Q 通過流量計(jì)時,轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖數(shù)(脈沖數(shù)/升),故也稱為流量系數(shù)。流量計(jì)作為產(chǎn)品出廠時,生產(chǎn)單位則是測取測量范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換系數(shù)平均值作為儀表常數(shù),因而可以認(rèn)為流體總量 V 與脈沖數(shù) N 的關(guān)系,如(5)式所示:
V=N/ξ??????????????? ?(5)
3 磁電轉(zhuǎn)換器的工作過程
磁電轉(zhuǎn)換器工作時如圖 3 所示。
  當(dāng)流體通過渦輪葉片時,渦輪 5 將發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,葉輪片 4 將周期性切割磁鋼 1 而產(chǎn)生磁力線 3,從而改變通過線圈 2 的磁通量,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動的電勢信號。不難理解,脈動電勢信號的頻率與渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度ω成正比,即與被測介質(zhì)的流量 Q 成正比。通過放大機(jī)構(gòu)(電子部分)將上述脈沖信號放大到 1V 左右脈沖電壓,傳送給顯示儀表,即可顯示出被測介質(zhì)的流量數(shù)據(jù)。
渦輪流量計(jì)磁電轉(zhuǎn)換器工作示意圖
4 渦輪流量計(jì)顯示儀表工作原理
  根據(jù)我們對流量計(jì)工作原理的分析和探討,得知流量計(jì)輸出的信號是電脈沖數(shù),因此儀表就是將單位時間的輸出脈沖和輸出脈沖的總數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時流量和流體總量,并把以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后通過數(shù)字量顯示。因而儀表的組成可以用圖 4 所示的方框圖表示:
渦輪流量計(jì)構(gòu)成框圖
4.1 瞬時流量指示
  瞬時流量指示的實(shí)質(zhì),就是對瞬時頻率、脈沖信號的指示,是將信號處理后的頻率、脈沖線性地轉(zhuǎn)換成直流電信號而指示相應(yīng)的流量參數(shù)。如果是模擬儀表,標(biāo)尺常以頻率(Hz)數(shù)值分度,指示的頻率值 f除以流量計(jì)儀表常數(shù)ξ就能夠得到瞬時體積流量值Q。如圖 5 所示的頻率瞬時指示原理方框圖。
渦輪流量計(jì)頻率瞬時指示原理方框圖
  經(jīng)過整形后的輸入頻率(脈沖)作用于計(jì)算電路的輸入端 T,使電路中交替出現(xiàn)截止或?qū)▋煞N狀態(tài),放大器輸出端脈沖波形被整形,與 T 的波形相反,當(dāng)放大電路出現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)時,電源 E 通過外圍電路(或集成內(nèi)部)在儲能電容 C 中預(yù)存電荷;當(dāng)放大電路出現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)時,C 預(yù)存的電荷通過外圍電路(或集成內(nèi)部)迅速釋放。就這樣輸入的頻率(脈沖)經(jīng)過電子電路改變?yōu)榕c之相對應(yīng)的電流信號。電路里的電流指示儀表 4 即刻顯示該計(jì)量電流值 I 的多少,I=q/T,而 q=C·E,f=1/T(q 為一個脈沖周期電容所充電荷量;C 為電容量;E 為電源電壓值;f 為充放電頻率)。合并三式可得到公式(6):
I=C·E·f ?????????????(6)
  由公式(6)可知,當(dāng)電源電壓 E 和電容量 C 為常數(shù)時,電流 I 與輸入脈沖的頻率 f 成正比,當(dāng)更改外圍電路(或集成內(nèi)部)儲存電荷的電容 C(1~n)參數(shù)或連接方式以及改變電路數(shù)據(jù)時,就可以得到不同介質(zhì)的流量測量范圍。在有些流量計(jì)結(jié)構(gòu)中,為了便于檢查指示儀表是否工作正常,在放大器輸入端設(shè)置有自檢電路裝置。它將振蕩器產(chǎn)生的恒定頻率脈沖信號送入后置電路,實(shí)現(xiàn)自動檢測工作正常與否的目的。
4.2 總量積算
  前述我們介紹了流量計(jì)工作原理,通常還要計(jì)量在一定時間范圍內(nèi),流量計(jì)流過介質(zhì)的體積或質(zhì)量的累積量,因此顯示儀表具有累積計(jì)算功能。下面我們根據(jù)流量計(jì)實(shí)際工況對一種累積值計(jì)算方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。
圖 6 為一種應(yīng)用除法方案進(jìn)行累積計(jì)算的組成原理圖。
渦輪流量計(jì)累積計(jì)算電路組成框圖
  由圖 6 可知,此積算器構(gòu)成中包括了整形、累積脈沖計(jì)數(shù)、系統(tǒng)設(shè)定、總量積算、軟件數(shù)據(jù)的控制等。其 4 個輸出端分別與四層波段開關(guān)的各層相連,通過軟件控制,組成了系統(tǒng)設(shè)定器。根據(jù)流量計(jì)系數(shù)ξ的值,可以在 0~9,999(其他參數(shù)也可以)之間任意選擇設(shè)定系數(shù)。
  由放大電路機(jī)構(gòu)輸出的脈沖信號,經(jīng)整形處理后,成為具有一定幅值和能滿足前沿要求的脈沖信號,將此信號轉(zhuǎn)入換算電路機(jī)構(gòu),它每輸出一個脈沖信號便拖動計(jì)數(shù)電路機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)一個數(shù)碼參數(shù),同時軟件功能即可識別紀(jì)錄出一個數(shù)字量,表明已經(jīng)有一個單位介質(zhì)體積的流量流過流量計(jì)。此時換算電路單元輸出的信號直接改變觸發(fā)穩(wěn)態(tài)電路,使各計(jì)數(shù)參數(shù)值恢復(fù)到起始的“零”狀態(tài),重復(fù)此過程即完成了累積脈沖的積算,就是對累積流量介質(zhì)的積算。
  例如:口徑為 80,mm 的流量計(jì),流量系數(shù)ξ為16.25 脈沖/升,通過軟件將系數(shù)設(shè)定分別置于 1、6、2、5,則每當(dāng)計(jì)數(shù)器收到 1,625 個脈沖信號的瞬時,軟件操作發(fā)出指令并輸出一個固定頻率信號,使電路狀態(tài)發(fā)生變化,使計(jì)數(shù)電路結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)一個計(jì)量單位,從而實(shí)現(xiàn)了逢 K 進(jìn)一的累計(jì)運(yùn)算,顯示儀表就能夠顯示出流體介質(zhì)總量。
  通過上例分析可知,如果流量計(jì)輸送到顯示儀表的脈沖總數(shù)為 N,經(jīng)換算后,送到總量積算器的脈沖數(shù)為 Nc,則流體介質(zhì)計(jì)量總量為:
V=N/ξ=N/ξ·10m/10m=N/K·10m ????????????(7)
  式中:K 為設(shè)定系數(shù),(K=10m·ξ);m 為整數(shù)。
  本除法方案設(shè)定系數(shù)的方式較為簡單,穩(wěn)定性比較好,電路容易實(shí)現(xiàn),可以直接將流量系數(shù)ξ 輸入軟件中,控制系數(shù)設(shè)定器,積算器就可以逢 K 進(jìn)一,顯示儀表指示出流體介質(zhì)總量。
5 結(jié)束語
  本文對渦輪流量計(jì)流量計(jì)和儀表的工作原理進(jìn)行了分析,總結(jié)了其工作過程。重點(diǎn)對參數(shù)設(shè)定方法、電路組成及作用等進(jìn)行了說明。文章對測量不同介質(zhì)狀態(tài)下選擇流量計(jì)以及使用方法和過程調(diào)試具有一定指導(dǎo)意義。

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