数字低速涡轮流量变送器的研究

涡轮流量计在工业上用途广,价格低,精度高和测量线性范围宽,但也存在着使用寿命短,小流量时抗干扰能力差等缺点。作者在原有涡轮流量变送器的基础上,发展了新型数字低速涡轮流量变送器。这种涡轮流量变送器的信号输出幅度与叶轮的转速无关,是矩形脉冲,无需信号放大和设置脉冲触发阈,抗干扰能力极强。叶轮在低速下运转,转动摩擦损失小,极大地提高了使用寿命,扩大了线性范围。从而进一步提高了涡轮流量变送器的性能,扩大了应用范围。

1　数字低速涡轮流量变送器的原理和结构

数字低速涡轮流量变送器(Dg50)结构如图1所示,这是一种内磁结构,2.5mm×2.5mm×5.0mm的钕铁硼磁体嵌在叶轮上,转轴的材料是1Cr18Ni9Ti,轴承套的材料是2Cr13;在轴承座内插入一根信号导出管,管内放有高灵敏的直径为2mm的干簧管,或微型霍尔数字位置敏感元件(型号为SS4,尺寸为4.1mm×3.0 mm×1.5 mm),信号导出管与流体是密封的,干簧管和霍尔元件可以自由插入拔出,有助于维修;流量信号可以就地显示,也可以远距离传送到控制室或仪表盘。

图2是数字信号输出原理图和方波电压信号,其幅度由外接直流电源电压Vcc、电阻R1和R2决定,与叶轮转速无关,占空比τ/f与磁体几何尺寸和在叶轮上的布置有关。

由图2输出电路决定的输出电压信号U(t)可用下式描述

式中:f为频率,τ为满足0<τ<1的常数,t为时间,u(t)为单位阶跃函数,该函数由下式定义

由上式决定的U(Q,t)是一频率与流量Q成正比,幅度为占空比为的方波周期信号。由于信号幅度与叶轮的转速(即流量)无关,所以这种信号检出方法可以将叶轮叶片的偏转角度设计得较小,使叶轮在较低的转速下运转,以提高涡轮工作寿命,另外由于转速降低,转动摩擦损失减小,这样流量计线性下限降低,上限提高,扩大了线性范围。

2　实验标定和结果

为了研究数字低速涡轮流量变送器的性能,设计加工了Dg50的三种导程ZL的叶轮,用实验标定测定了流量系数ξ和线性范围。表1是不同叶片导程的涡轮流量变送器的标定结果。表2是叶片导程为400mm的涡轮流量变送器的性能实验数据,图3是ξ-Q曲线。

实验采用在加权最小二乘意义下将表2中的数据拟合成下式

设ξ0的精度为1.0%,求线性流量下限Qmin,由

式(6)得

3　结　　论

对数字低速涡轮流量变送器的实验测试表明,它具有数字开关量输出,输出幅度大,与流量大小无关,二次仪表简单,无需放大器和设置计数触发阀,抗干扰能力极强,尤适于远传;转动摩擦损失小,寿命长,线性范围宽于普通涡轮变送器,流量下限约低于同口径通涡轮变送器30%,流量上限肯定也会提高。这种低速流量变送器尤为适用于核工业领域,对别的领域也有着广泛的用途。