液體渦輪流量計(jì)的工作原理:在管道中心安放一個(gè)渦輪,兩端由軸承支撐.當(dāng)流體通過(guò)管道時(shí),沖擊渦輪葉片,對(duì)渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩,使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn).在一定的流量范圍內(nèi),對(duì)一定的流體介質(zhì)粘度,渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比.由此,流體流速可通過(guò)渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到,從而可以計(jì)算得到通過(guò)管道的流體流量.渦輪的轉(zhuǎn)速通過(guò)裝在機(jī)殼外的傳感線圈來(lái)檢測(cè).當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時(shí),就會(huì)引起傳感線圈中的磁通變化.傳感線圈將檢測(cè)到的磁通周期變化信號(hào)送入前置放大器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形,產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號(hào),送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值;同時(shí)亦將脈沖信號(hào)送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路,將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流量,進(jìn)而指示瞬時(shí)流量值.
液體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu):流體從機(jī)殼的進(jìn)口流入.通過(guò)支架將一對(duì)袖承固定在管中心軸線上,渦輪安裝在軸承上.在渦輪上下游的支架上裝有呈輻射形的整流板,以對(duì)流體起導(dǎo)向作用,以避免流體自旋而改變對(duì)渦輪葉片的作用角度.在渦輪上方機(jī)殼外部裝有傳感線圈,接收磁通變化信號(hào).
下面介紹主要部件.
(1)渦輪渦輪由導(dǎo)磁不銹鋼材料制成,裝有螺旋狀葉片.葉片數(shù)量根據(jù)直徑變化而不同,2-24片不等.為了使渦輪對(duì)流速有很好的響應(yīng),要求質(zhì)量盡可能?。畬?duì)渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般要求為:葉片傾角10°-15°(氣體),30°-45°(液體);葉片重疊度P為1—1.2;葉片與內(nèi)殼間的間隙為0.5—1mm.
(2)軸承渦輪的軸承一般采用滑動(dòng)配合的硬質(zhì)合金軸承,要求耐磨性能好.由于流體通過(guò)渦輪時(shí)會(huì)對(duì)渦輪產(chǎn)生一個(gè)軸向推力,使鈾承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大,加速鈾承磨損,為了消除軸向力,需在結(jié)構(gòu)上采取水力平衡措施,這方法的原理見(jiàn)圖3—3所示.由于渦輪處直徑DH略小于前后支架處直徑Ds,所以,在渦輪段流通截而擴(kuò)大,流速降低,使流體靜壓上升 P,這個(gè) P的靜壓將起到抵消部分軸向推力的作用.
圖3-3 水力平衡原理示意圖
(3)前置放大器 前置放大器由磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與放大整形電路兩部分組成,示意圖見(jiàn)圖3—4所示.
磁電轉(zhuǎn)換器國(guó)內(nèi)一般采用磁阻式,它由永久磁鋼及外部纏繞的感應(yīng)線圈組成.當(dāng)流體通過(guò)使諷輪旋轉(zhuǎn)的,葉片在永久磁鋼正下方時(shí)磁阻最小,兩葉片空隙在磁鋼下方時(shí)磁阻最大,渦輪旅轉(zhuǎn),不斷地改變磁路的磁通量,使線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢(shì),送入放大整形電路,變成脈沖信號(hào).
輸出脈沖的頻率與通過(guò)流量計(jì)的流量成正比,其比例系數(shù)K為 K=(3-1)
式中 f――渦輪流量計(jì)輸出脈沖頻率;
qv——通過(guò)流量計(jì)的流量.
該比例系數(shù)亦稱為渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)。
液體渦輪流量計(jì)的特點(diǎn):是葉輪式流量(流速)計(jì)的主要品種,葉輪式流量計(jì)還有風(fēng)速計(jì)、水表等。在各種流量計(jì)中渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)是三類重復(fù)性、精確度最佳的產(chǎn)品,而渦輪流量計(jì)又具有自己的特點(diǎn),如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大(同樣口徑可通過(guò)的流量大)和可適應(yīng)高參數(shù)(高溫、高壓和低溫)等。至今,這類流量計(jì)產(chǎn)品可達(dá)技術(shù)參數(shù):口徑4-750mm,壓力達(dá)250MPa,溫度為-240-700℃,像這樣的技術(shù)參數(shù)其他兩類流量計(jì)則是難以達(dá)到的。 圖1所示為渦輪流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)圖,由圖可見(jiàn),當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí),在流體作用下,葉輪受力旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比,葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測(cè)線圈中磁通隨之發(fā)生周期性變化,產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì),即電脈沖信號(hào),經(jīng)放大器放大后,送至顯示儀表顯示。
TUF的實(shí)用流量方程為
qv=f/K (7.1)
qm=qvρ (7.2)
式中 qv,qm-分別為體積流量,m3/s,
質(zhì)量流量,kg/s;
f-流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率,Hz;
K-流量計(jì)的儀表系數(shù),P/m3。
流量計(jì)的儀表系數(shù)與流量(或管道雷諾數(shù))的關(guān)系,儀表系數(shù)可分為二段,即線性段和非線性段。線性段約為工作段的三分之二,其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段,特性受軸承摩擦力,流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下限時(shí),儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過(guò)流量上限時(shí)要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的TUF特性曲線的形狀是相似的,他僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。
液體渦輪流量計(jì)傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出,它完全不問(wèn)傳感器內(nèi)部流體的流動(dòng)機(jī)理,把傳感器作為一個(gè)黑匣子,根據(jù)輸入(流量)和輸出(頻率脈沖信號(hào))確定其轉(zhuǎn)換系數(shù),它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意,此轉(zhuǎn)換系數(shù)(儀表系數(shù))是有條件的,其校驗(yàn)條件是參考條件,如果使用時(shí)偏離此條件,系數(shù)將發(fā)生變化,變化的情況視傳感器類型,管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。