水阀内置流量传感器的结构设计

　　1　引言

　　为了精确测量冰箱中水流经水阀的流量,本文根据传感器旋转叶片的受力模型,推导出了传感器仪表常数的表达式,进而根据理论分析的结果设计了流量传感器的结构,这为后续内置流量仪表传感器的实验和仿真研究打下了基础。

　　2　水阀内置流量传感器的仪表常数分析

　　2. 1　内置流量传感器叶轮叶片的受力模型

　　水阀内置流量传感器叶轮受力如图1所示。图1中,为叶的驱动力矩,为轴与轴承的流体摩擦阻力矩,为叶片顶端与传感器外壳内壁之间的黏性摩擦阻力矩,为轮毂表面黏性摩擦阻力矩,为轮毂端面黏性摩擦阻力矩,为磁电信号检出器阻力矩和轴与轴承间的非流体摩擦阻力矩。图1中Rg为叶片轮毂半径,m;Rd为叶片边缘处半径;R0为流道半径,m;Vz为叶片进口截面上流体轴向速度,m/s;Lh为轮毂轴向长度,m;ω为叶轮旋转角速度, rad/s;Rl为轴的半径,m。

　　根据流体力学基本理论及国内外学者的研究成果,内置流量传感器叶轮叶片的受力模型[2~4]如下:

　　2. 2　仪表常数K的求解

　　将式(2)代入式(1),整理得表征仪表常数的的表达式为:

　　式中:f为当流体体积流量为Q(m3/s)时传感器所发脉冲的频率,Hz;N为叶轮的叶片数或发讯导磁柱数。

　　由式(8)可见,若想使K是一个不随流量变化的常数,即使传感器的线性工作范围宽,也要设法使,亦即使阻力矩之和为零。这一结论提示我们应合理设计叶片结构,以尽量减小黏性流体阻力矩、摩擦阻力矩Tzf以及磁阻力矩Tcf等。在不必细致分析阻力矩的情况下,作为近似公式,式(8)可简化为:

　　公式中的这几个参数都是叶轮的几何参数,一旦结构尺寸确定下来,就可以利用公式(9)近似计算出仪表系数K。

　　3　内置流量传感器结构设计

　　3. 1　传感器参数选取分析和叶轮结构设计

　　旋转叶轮是内置流量传感器的检测部件。它的作用是把流体动能转换成机械能。叶轮由前后导叶片支撑,与壳体同轴,其叶片数视口径大小而定。叶轮结构参数包括叶片倾角、叶片的顶端与外壳内壁的间隙、叶片根径和顶径的流通截面以及叶片数量等设计。这些参数直接影响流量计的特性,选择的合理就可以提高仪表的测量范围和准确度并延长使用年限。

　　根据大量试验及理论分析,比较合理的结构参数为:

　　①叶片倾角θ: 30°~45°(对液体)。②叶片顶隙δ:当D≤10 mm时,δ=0. 05~0. 07D;当10 mm≤D≤80 mm时,δ=0. 01~0. 015D;当D≥80 mm时,δ=0. 01D。③叶片数N:可以按照对输出信号的频率要求以及加工制造的可能性来考虑。根据流量计口径大小不同而异,小口径(D≤100 mm)为3~8片。大口径(D>100 mm)一般为10片以上。