【文章內容簡介】 輪側面的葉片表面，推動葉輪旋轉；隨葉輪旋轉，流體在傳感器腔內做環(huán)形流動，進一步推動葉輪旋轉；在葉輪另一側，流體經過另外一個與入口噴嘴軸線平行或成一定角度反向安裝的噴嘴或管道，流出傳感器。 3．預旋流切向流動結構，如圖 21(d)所示。 流體首先經過一個 螺桿 1，形成螺旋形流動，再推動葉輪 2 旋轉。 在圖 21(a)所示單流束水平流動結構的切向渦輪流量傳感器主要用于微流量測量。其結構主要由儀表殼體、渦輪（葉輪）、噴嘴、軸和軸承以及信號檢測放大器等組成。 本文設計的切向渦輪流量計如下： 圖 22 為傳感器殼體結構圖，圖中左側上圖為殼體的俯視圖，左側下圖為縱向切面圖，右側圖則為殼體的透視圖。殼體的各個幾何參數(shù)圖中均有標注。儀表殼體一般采用不導磁的不銹鋼或鋁合金制成，對于大口徑傳感器亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結構。殼體是傳感器的主體部件，它起到承受被測流體 的壓力，固定安裝檢測部件，連接管道的作用，殼體內裝有葉輪、軸、軸承，殼體外壁安裝有信號檢測放大器。 渦輪流量計標定裝 置及測量電路設計 12 圖 22 傳感器殼體結構圖 圖 23是傳感器的蓋子，圖中左側上圖為蓋子的主視剖視圖，左側下圖為蓋子的俯視圖，右側則為蓋子的左視圖。它的各個幾何參數(shù)都在圖中已經注出。材質可選擇與傳感器的殼體相同。蓋子的作用是固定軸，使葉輪繞軸轉動，并且還起到防止其他外界因素干擾葉輪轉動及防止漏油。 渦輪流量計標定裝置及測量電路設計 13 圖 23是傳感器的蓋子 圖 24 是傳感器葉輪和軸的結構圖。葉輪一般由高導磁性材料制成，是傳感器的檢測部件。它的作用是把 流體動能轉換成機械能。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環(huán)來增加一定數(shù)量葉片渦輪旋轉的頻率。葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質、流量范圍、使用要求等設計，葉輪的動態(tài)平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命。 渦輪流量計標定裝 置及測量電路設計 14 圖 24 是傳感器葉輪和軸 軸與軸承通常選用不銹鋼或硬質合金制作，它支承和保證葉輪自由旋轉，需要有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性，耐腐性等 ，它決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結構與材料的選用以及維護是很重要的。 我國目前一般采用變磁阻式信號檢測放大器，它由永久磁鋼、導磁棒（鐵芯）、線圈等組成。它的作用是把渦輪的機械轉動信號轉換成電脈沖信號輸出。信號檢測放大器安裝在渦輪葉片的正上方，流體流過時，沖擊葉輪旋轉。葉片處在永久磁鋼的正下方時，磁路的磁阻最小；當兩個葉片中間的間隙處在永久磁鐵的正下方時，磁路的磁阻最大。葉輪在流體 的 沖擊下旋轉，不斷地改變磁路的磁阻，使永久磁鋼外的線圈中產生變化的感生電勢，送入放大 整形電路，變成脈沖信號。脈沖信號的頻率與管道中流體的流量成正比。 渦輪流量計標定裝置及測量電路設計 15 3 試驗系統(tǒng)的建立與選擇 本章介紹了微小流量定常流測量方法，根據(jù)微小流量測量的特點，分別設計了靜態(tài)質量法、動態(tài)質量法并指出了定常流條件下微小流量測量存在的問題。 微小流量的定常流測量原理 如圖 ，測量容器的過流斷面面積為 A，被測試件的過流端面面積為 a，測試段液體體積為 V。試驗時，測量容器中水頭 H保持為定值，以保證被測試件 2處的壓差為定值，故 2處的流動為不隨時間變化的定常流。為保證 H為定值，則需測量容器上部一 直處于溢流狀態(tài)，也可以采用加恒值氣壓的方法保證 2處的壓差為定值，但需要恒值氣源，設備復雜，成本高。根據(jù)流量的定義，測量在一定時間段 t內流入計量容器 (量杯 )內的液體體積 V或質量 M即可得到體積流量： tVQ v ?? （ ） 或質量流量： tMQ m ?? （ ） 圖 (量杯 ) 靜態(tài)質量法液體微小流量測量裝置 對于流量的測量，靜態(tài)質量法液體流量標準裝置可以達到最高的精度，當需要高精確度的微小流量測量時，可以參照靜態(tài)質量法液體流量標準裝置的原理來設計微小流量測量裝置。 靜態(tài)質量法是指在靜止狀態(tài)下，稱量一段時間內容器中的液體質量，從而計算出質量流量。靜態(tài)質量法液體微小流量測量裝置典型結構如圖 ，由穩(wěn)壓源、計量容器或稱重裝置、截止閥 (或單向閥 )、換向器、計時器和管路系統(tǒng)等組成。其工作原理為 :先將水用水泵 3打入置頂液箱 6中，水注滿后，液體由溢流堰 5溢流，經過泄漏管 8回水池 1。為保證 被試件處為定常流動，整個試驗過程中置頂液箱 6一直處于溢流渦輪流量計標定裝 置及測量電路設計 16狀態(tài)。試驗開始時，打開截止閥 (或頂開單向閥 )9，換向器液流流入泄漏管巧方向，此時稱重容器的質量為初始值 M0，當流量穩(wěn)定后，啟動換向器，使得換向器液流流入稱重容器 13，同時計時器觸發(fā)機構 12觸發(fā)計時器啟動計時。當達到預定的液體重量時，換向器自動換向，使換向器液流流入泄漏管徑的方向，并同時停止計時器，記錄此時稱重容器的質量 M和計時器的測量時間 T，則實際質量流量為 T MMQ m 0?? （ ） 由質量流量換算為體積流量時，可由下式計算 TMM mv ?? 0??? （ ） 在微小流量測量時，為了不降低測量質量的電子秤的準確度，測量的時間 T必須足夠長，這使得測量效率降低 。要得到被檢流量計的體積流量，還須經過質量與體積的換算，這樣又會引入密度測量的誤差 。由于稱量的容器處于空氣中，砝碼密度和水的密度不同，受到的浮力不同，故存在浮力修正問題。 圖 水管 1 9.截止閥 (或單向閥 ) 動態(tài)質量法液體微小流量測量裝置 動態(tài)質量法是指在液體流入到稱量容器的流動過程中，稱量一段時間內容器中的液體質量的增量，從而計算出流量。如圖 裝置。 渦輪流量計標定裝置及測量電路設計 17 圖 2動態(tài)質量法液體微小流量測量裝置 件 (杠桿 ) 其工作原理為 :先將水用水泵 3打入置頂水箱 5中，水注滿后，液體由溢流堰 5溢流，經過泄漏管 8回水池 1。為保證被試件處為定常流動，整個試驗過程中一直處于溢流狀態(tài)。試驗開始時，打開截止閥 (或頂開單向閥 )9，當流量穩(wěn)定后，稱量容器底部放水閥 11快速關閉，稱量容器內的液體質量開始增加，當增加的總質量達到預定的平衡質量 Ml時，杠桿抬起，觸發(fā)計時器啟動開始計時。當稱量容器內的液體質量增加到第二個平衡質量 M2時， 杠桿又抬起，觸動計時器停止計時，并記下計時器計時時間 T，則質量流量為 T MMQ m 12 ?? （ ） 由于存在動態(tài)效應，射流沖擊力對稱量結果造成影響，受杠桿系統(tǒng)慣性滯后影響，引起系統(tǒng)誤差的因素較多。 基于以上兩種測量方法，對比分析并選擇試驗系統(tǒng) 靜態(tài)質量法一般有較高的測量精度，可達到 ? %，但是測量系統(tǒng)復雜，測量過程中存在較大誤差。其中包括： 靜態(tài)質量法中有多處截止閥，測量過程中啟動或者 停止需要人工操作，會帶來較大誤差； 系統(tǒng)中使用了換向器，在停止換向時會對測量帶來一定的誤差； 測量過程中存在流體向下流入稱重容器時產生沖量，對試驗測量帶來不可避免的誤差。 動態(tài)質量法的準確度較靜態(tài)質量法低，一般靜態(tài)質量法準確度可達渦輪流量計標定裝 置及測量電路設計 18? %? %，而動態(tài)質量法準確度通常為 ? %? %。 動態(tài)質量法不需要換向器， 沒有換向誤差，結構簡單，完成一次測量的時間短， 測量效率高； 動態(tài)質量法由于本身容易實現(xiàn)密封，所以可用于有害液體或易揮發(fā)液體的流量測 量，這在微小流量測量時有特別的意義，因為揮發(fā)對微小流量的測量影響更大。 通過改進稱重容器可以有效減小稱重過程中流體沖量對試驗誤差的影響。 總得來說，運用動態(tài)質量法對小量程流量計測量的試驗最優(yōu)，其優(yōu)點是：精度高，可靠性好，流量范圍大，性能穩(wěn)定，運行成本低，操作方便，自動化程度高，對環(huán)境無污染。 渦輪流量計標定裝置及測量電路設計 19 4 動態(tài)質量法測量裝置 本文基于液態(tài)流動流體的 稱重系統(tǒng)，為了減少誤差，進一步提高流量計的準確性，選用的動態(tài)質量法。動態(tài)質量法水流量標定是用動態(tài)稱重方法進行流量測量 , 從而檢驗標定電磁、渦輪、轉子等流量計。進一步解決靜態(tài)質量法中流體沖量所引起的誤差。但實驗中應該注意到液體流體的穩(wěn)定流動，這對實驗會產生較大誤差。 測量系統(tǒng)的原理及設計 整個試驗系統(tǒng)的測量原理及設計： 系統(tǒng)依靠水泵產生流量，使水流經被檢流量計注入稱重容器，在設定的時間間隔 t內，電子秤測得水質量 m，求得流量 q=m／ t，從而確定被檢流量計的流量并進行流量標定。 圖 41 動態(tài)質量法測量裝置 1液體源 2水泵 3試驗管路 4穩(wěn)壓溢流堰 5截止閥 6被測流量計 7稱重容器 8電子天平 系統(tǒng)裝置主要由小型水泵、試驗管路、液體源、水塔式流量容器及循環(huán)系統(tǒng)、截止閥、稱重容器和電子天平等組成。 渦輪流量計標定裝 置及測量電路設計 20 測量系統(tǒng)的優(yōu)化及改進 穩(wěn)壓源的改進 溢流法在流量標準裝置的設計中，稱為水塔穩(wěn)壓法，是用置頂容器溢流的方法來得到被測試件處的恒定水頭，如圖 42所示， (l)為置頂溢流容器， (2)為被測試件，(3)為量杯。為保證被測試件 (2)處為恒定水頭，容器 (l)必須一直處于溢流狀態(tài)。由于恒定壓力由液柱 產生，置頂容器的高度有限，這種方法不能測量壓力過高，管道流動雷諾數(shù)較低。 圖 42溢流法原理圖 溢流法穩(wěn)壓時，對于中、大流量測量的應用一般只是供水泵的功率損耗問題，但是對于微小流量的精確測量，存在如下問題 : 第一、由于供水泵排量的變化和管道系統(tǒng)阻力的變化，進入置頂液箱的流量是波動的，溢流過程可看成是液體流過完全直角、并且沒有側向壓縮的銳邊溢流堰，高出溢流堰邊的液體高度隨流量而變化，造成穩(wěn)壓水頭實際上不穩(wěn)定； 第二、由于溢流的液面不斷受到入流沖擊影響，所以存在液面沖擊干擾，這在測量微小流量時會引入動態(tài)流量造 成的誤差； 第三、不斷的液面入流會使氣泡混入測試液體且很難排出，引起氣泡干擾 。 第四、啟停瞬間造成流動狀態(tài)的干擾； 第五、測試液體不可回收時，溢流造成測試液浪費。 本課題可采用 高位槽溢流的溢流穩(wěn)壓法 （如下圖）對上述問題做出有效改進。 渦輪流量計標定裝置及測量電路設計 21 圖 43 穩(wěn)壓溢流堰 首先是采用了溢流堰，測量過程中能保持液位高度始終不變同時溢流液體可以回收，循環(huán)至液體源； 其次，本實驗中采用了可調升降的溢流堰，通過調節(jié)溢流堰的高度，可以方便有效的改變測量時所需要的不同流速，操作簡單、有效； 最后是試驗起止及實驗過程中 ，都能有效保持相對穩(wěn)定流動，對動態(tài)測量只產生較小影響。 稱重容器的改進 傳統(tǒng)的稱重容器都是測量時液體直接流進稱重容器，然后通過稱重裝置進行稱重，如圖 圖 44稱重容器 1稱重容器 2電子天平 渦輪流量計標定裝 置及測量電路設計 22但是采用該裝置，在測量過程中將產生不可避免的流體下落時產生的沖量問題，這會對試驗的測量精度產生較大誤差，因此如何改進稱重容器，是提高測量精度的關鍵問題。 方案一 采用帶檔板的稱重容器 圖 45稱重容器 1爬梯 2稱重容器 3電子天平 如圖所示，當液體流入稱重容器時，流體首先落在了檔板上，抵消了一 部分沖量，如此往復可以有效降低液體流入容器時的速度，到進入稱重容器的液面時，速度基本將為 0。雖然該裝置有效降低了液體下落時帶來的沖量問題，但是，在容器液面較低時，仍然會有一定的影響。 方案二 采用雙套稱重容器 圖 46稱重容器 1水頭 2小量杯 3吸附性海綿 4稱重容器 渦輪流量計標定裝置及測量電路設計 23 如圖所示，此方案是采用兩個容器，將小量杯固定在大量杯內，再在小量杯外側固定海綿或者細絲密實網狀結構（根據(jù)測量液體的粘性選擇）。本試驗測量的是液態(tài)水，因此在小量杯外側固定上厚度為 2 cm 的吸附性海綿。試驗過程中，保持水頭在小 量杯的上方且固定不動，并且小量杯內液體始終是滿的。該過程可使液體流入稱重容器所產生的沖量始終保持不變，對測量結果基本不產生影響；同時，對于標準液體稱重系統(tǒng)中存在的多收集了一段水柱的問題，應用該裝置，測量前后都是同樣多收集了一段，可以抵消不計，對試驗測量誤差影響較小。最后是，當液體從小量杯溢流流入大量杯時，因為外側有吸附性海綿，可以降低流速，使流速基本接近于 0，對試驗基本沒有影響。 綜上所訴，本實驗選取方案二稱重系統(tǒng)，該方案有效