【正文】 杯外側(cè)固定上厚度為 2 cm 的吸附性海綿。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。 稱重容器的改進(jìn) 傳統(tǒng)的稱重容器都是測量時液體直接流進(jìn)稱重容器，然后通過稱重裝置進(jìn)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(biāo)定裝 置及測量電路設(shè)計 22但是采用該裝置，在測量過程中將產(chǎn)生不可避免的流體下落時產(chǎn)生的沖量問題，這會對試驗的測量精度產(chǎn)生較大誤差，因此如何改進(jìn)稱重容器，是提高測量精度的關(guān)鍵問題。 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(jìn)。 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(yīng)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(jìn)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(cè)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 。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)。 圖 41 動態(tài)質(zhì)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。但實驗中應(yīng)該注意到液體流體的穩(wěn)定流動，這對實驗會產(chǎn)生較大誤差。動態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)定是用動態(tài)稱重方法進(jìn)行流量測量 , 從而檢驗標(biāo)定電磁、渦輪、轉(zhuǎn)子等流量計。 總得來說，運用動態(tài)質(zhì)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。 動態(tài)質(zhì)量法不需要換向器， 沒有換向誤差，結(jié)構(gòu)簡單，完成一次測量的時間短， 測量效率高； 動態(tài)質(zhì)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。其中包括： 靜態(tài)質(zhì)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(chǎn)生沖量，對試驗測量帶來不可避免的誤差。當(dāng)稱量容器內(nèi)的液體質(zhì)量增加到第二個平衡質(zhì)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(zhì)量流量為 T MMQ m 12 ?? （ ） 由于存在動態(tài)效應(yīng)，射流沖擊力對稱量結(jié)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。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)。如圖 裝置。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。當(dāng)達(dá)到預(yù)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(zhì)量 M和計時器的測量時間 T，則實際質(zhì)量流量為 T MMQ m 0?? （ ） 由質(zhì)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(zhì)量的電子秤的準(zhǔn)確度，測量的時間 T必須足夠長，這使得測量效率降低 。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(biāo)定裝 置及測量電路設(shè)計 16狀態(tài)。靜態(tài)質(zhì)量法液體微小流量測量裝置典型結(jié)構(gòu)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。根據(jù)流量的定義，測量在一定時間段 t內(nèi)流入計量容器 (量杯 )內(nèi)的液體體積 V或質(zhì)量 M即可得到體積流量： tVQ v ?? （ ） 或質(zhì)量流量： tMQ m ?? （ ） 圖 (量杯 ) 靜態(tài)質(zhì)量法液體微小流量測量裝置 對于流量的測量，靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以達(dá)到最高的精度，當(dāng)需要高精確度的微小流量測量時，可以參照靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的原理來設(shè)計微小流量測量裝置。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。 渦輪流量計標(biāo)定裝置及測量電路設(shè)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(shè)計了靜態(tài)質(zhì)量法、動態(tài)質(zhì)量法并指出了定常流條件下微小流量測量存在的問題。葉輪在流體 的 沖擊下旋轉(zhuǎn)，不斷地改變磁路的磁阻，使永久磁鋼外的線圈中產(chǎn)生變化的感生電勢，送入放大 整形電路，變成脈沖信號。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(zhuǎn)。 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(dǎo)磁棒（鐵芯）、線圈等組成。 渦輪流量計標(biāo)定裝 置及測量電路設(shè)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(zhì)合金制作，它支承和保證葉輪自由旋轉(zhuǎn)，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。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。它的作用是把 流體動能轉(zhuǎn)換成機械能。 渦輪流量計標(biāo)定裝置及測量電路設(shè)計 13 圖 23是傳感器的蓋子 圖 24 是傳感器葉輪和軸的結(jié)構(gòu)圖。材質(zhì)可選擇與傳感器的殼體相同。 渦輪流量計標(biāo)定裝 置及測量電路設(shè)計 12 圖 22 傳感器殼體結(jié)構(gòu)圖 圖 23是傳感器的蓋子，圖中左側(cè)上圖為蓋子的主視剖視圖，左側(cè)下圖為蓋子的俯視圖，右側(cè)則為蓋子的左視圖。儀表殼體一般采用不導(dǎo)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(jié)構(gòu)。 本文設(shè)計的切向渦輪流量計如下： 圖 22 為傳感器殼體結(jié)構(gòu)圖，圖中左側(cè)上圖為殼體的俯視圖，左側(cè)下圖為縱向切面圖，右側(cè)圖則為殼體的透視圖。 在圖 21(a)所示單流束水平流動結(jié)構(gòu)的切向渦輪流量傳感器主要用于微流量測量。 3．預(yù)旋流切向流動結(jié)構(gòu)，如圖 21(d)所示。 傳感器流體入口和出口軸線平行或成一定的角度。流體經(jīng)過另外一個與入口噴嘴在同一軸線上反向安裝的噴嘴渦輪流量計標(biāo)定裝置及測量電路設(shè)計 11 流出傳感器。 傳感器的流體入口和出口在同一軸 線上。 不同廠家的切向渦輪流量傳感器，其整體結(jié)構(gòu)差異較大，目前國內(nèi)外主要有三種，如下圖 21 所示。 切向渦輪流量計由渦輪流量傳感器和接收電脈沖信號的顯示儀表組成。在 工業(yè)上，可采用渦輪流量計測量粘度較低的各種液體和氣體的流量。 切向式渦輪流量計 切向渦輪流量計是一種速度式流量儀表，它以動量守恒原理為基礎(chǔ)。 渦輪流量計標(biāo)定裝 置及測量電路設(shè)計 1010．流體的物理性質(zhì)對儀表的特性有較大影響?？筛鶕?jù)用戶特殊需要設(shè)計為各種專用型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型及混沙專用型等。 7．結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大。 6．可獲得很高的頻率信號 (34 kHz)，信號分辨能力強。 5．耐高壓、耐腐蝕。短期重復(fù)性可達(dá) %%。最大和最小流量比通常為 10:1 到 20:1，故相對適用于流量大幅度變化的場合。在最大流量下其壓力損失為 MPa。渦輪流量計的測量精度是指示值的 %%之間，在線性范圍內(nèi)，即使流量發(fā)生變化，累計流量準(zhǔn)確度也不會發(fā)生變化。但切向式渦輪流 量傳感器自身的一些特點是軸向式渦輪流量傳感器所不具備的，例如：測量下限更低，測量靈敏度更高，動態(tài)響應(yīng)速度更快。 總之，渦輪流量傳感器按結(jié)構(gòu)可分為軸向式渦輪流量傳感器和切向式渦輪流量傳感器兩種。 6．廣粘度型，在波特型浮動轉(zhuǎn)子壓力平衡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴大上錐體與下錐體的直徑，增加粘度補償翼及承壓葉片等結(jié)構(gòu)措施，使傳感器適用于高粘度液體（如重油，粘度達(dá) smm/30 2 ）。 4．井下專用型，適用于石油開采井下作業(yè)使用，測量介質(zhì)有泥漿及油氣流等，渦輪流量計標(biāo)定裝置及測量電路設(shè)計 9 傳感器體積受限制，需耐高壓、高溫及流體沖擊等。 2．切向型，葉輪軸與管道軸線垂直，流體流向葉片平面的沖角約 90 度，適用于小口徑微流量測量，在大口徑流量測量時也用到了插入式的切向型渦輪流量計。 渦輪流量計的主要部分渦輪流量傳感器有如下幾種類型： 1．軸向型（普通型），葉輪軸中心與管道軸線重合，是渦輪流量傳感器 的主要產(chǎn)品。渦輪流量計是測量儀表門類中的一個重要的產(chǎn)品系列，若用于潔凈的低粘度液體流量測量時，在相當(dāng)寬的流量范圍內(nèi)，其測量精確度高，重復(fù)性好，這是它最為突出的優(yōu)點。 渦輪流量計發(fā)展概況 美國早在 1886 年即發(fā)布過第一個 TUF（渦輪流量計）專利， 1914 年的專利認(rèn)為TUF 的流量與頻率有關(guān)。此外，傳感器輸出的脈沖信號可以單獨與計算機配套使用，由計算機代替流量顯示儀表實現(xiàn)密度、溫度或壓力補償，顯示質(zhì)量流量或氣體的體積流量。渦輪流量計由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成，可實現(xiàn)瞬時流量和累積流量的計量。渦輪流量計由渦輪流量傳感器和顯示儀表組成。 渦輪流量計 :利用置于流體中的葉輪感受流體平均速度來測量流體流量的流量計。如減小或者消除測量過程中沖量所引起的動態(tài)誤差，進(jìn)一步提高小流量的穩(wěn)定流動，規(guī)范安裝過程和操作過程以減少人為因素等。 對測量渦輪轉(zhuǎn)速傳感器信號的轉(zhuǎn)換電路的繪制需要經(jīng)過電路仿真和 PCB設(shè)計，渦輪驅(qū)動電動機控制裝置包含并口卡、步進(jìn)電機、步進(jìn)電機控制器的連線以及軟件控制。 測量渦輪轉(zhuǎn)速傳感器信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計主要內(nèi)容： 1） 利用 Proteus 7 Professional 軟件繪制仿真電路設(shè)計 并進(jìn)行仿真 2） 利用 Altium Designer 6 軟件繪制 PCB 圖 控制渦輪轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機的安裝： 1)并口卡相關(guān)控制軟件 Mach3 的安裝及操作 2)并口卡、步進(jìn)電機控制器、步進(jìn)電機的接線 小量程流量計及標(biāo)定試驗器設(shè)計主要內(nèi)容： 1）小量程流量計的設(shè)計； 2）流量檢測及標(biāo)定裝置設(shè)計； 4）試驗誤差分析及優(yōu)化試驗。 本課題要求 :設(shè)計測量渦輪轉(zhuǎn)速傳感器信號的轉(zhuǎn)換電路 ,控制渦輪轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機安裝。它們可用于精密的連續(xù)或間斷的測量管道中液體的流量或瞬時流量。 渦輪流量計標(biāo)定裝 置及測量電路設(shè)計 6 主要研究內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵與難點 主要研究內(nèi)容 : 渦輪流量計、齒輪流量計都是容積式流量計。 實用性原則。定常流測量方法是流量精確測量時普遍 采用的方法 而對于渦輪的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的機械液壓式控制系統(tǒng)也曾經(jīng)廣泛應(yīng)用 ， 兩者 其中的很多優(yōu)點必須要繼承，沒有繼承就沒有發(fā)展。 本文研究的目的是： 用動態(tài)稱重方法進(jìn)行流量測量 , 從而建立一套結(jié)構(gòu)簡單、精度高、運行效率高、性價比高的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自動檢定系統(tǒng)，一方面能保證流量計量設(shè)備準(zhǔn)確的量值 通過電信號的 傳遞，另一方面能有效地避免在生產(chǎn)和貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域應(yīng)用的流量計量設(shè)備由于計量精度而引起的生產(chǎn)浪費和貿(mào)易糾紛等。 并且本文對所設(shè)計的流量計裝置在電方面進(jìn)行了深入的探討進(jìn)一步的研究，是 本文顯得更加充實飽滿。如何進(jìn)一步提高其測量精度是一個重要而又現(xiàn)實的問題。在對燃油測量精度越來越高的今天，任何微小的標(biāo)準(zhǔn)量值的差異都將導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)利益矛盾。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局批準(zhǔn)發(fā)布了各種流量計量設(shè)備的檢定規(guī)程，將流量計量設(shè)備的檢定列為國家強制檢定項 目。Stepper motor regulation。 Flow calibration 。 Liquid flow standard device。 Designed a new liquid weighing container double sets of measuring cups weighing the container。 關(guān)鍵詞 ： 切向渦輪流量計 ； 液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 ； 動態(tài)質(zhì)量法 ； 流量標(biāo)定 。測量系統(tǒng)在液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了穩(wěn)壓裝置，采用 穩(wěn)壓溢流堰的方法， 設(shè)計了新的液體稱重容器 雙套量杯稱重容器，選用了測量精度更高的電子天平，取代了常用杠桿式天平，使測量更簡單、準(zhǔn)確。文章主要研究設(shè)計了切向渦輪流量計 以及對切向流量計中傳感器后的調(diào)理電路進(jìn)行了仿真設(shè)計和 PCB 設(shè)計 ， 同時對調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機的安裝操作進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 I 渦輪 流量計 標(biāo)定裝置 及 測量電路 設(shè)計 學(xué) 院 航空航天工程學(xué)部 專 業(yè) 飛行器動力工程 班 級 04040102 學(xué) 號 2021040401053 姓