具有流体速度分布修正性能的双涡轮质量流量计的结构与理论分析

　　1　引　　言

　　动量矩双涡轮直接质量流量测量原理早在20世纪60年代就提出来[4～5],是利用液体动力原理,由于两涡轮叶片存在转矩差并与两涡轮间扭簧的弹力相平衡,两个涡轮转过同一检测器相隔的时间差与质量流量成正比实现质量流量测量。具有结构简单、造价低等特点,但是由于其重复性误差较大,一直没有具备商业计量应用。目前国内外对双涡轮质量流量计理论模型的研究较少,20世纪90年代提出了具有相连两叶轮的惯性式质量流量计并基于叶栅理论做了理论分析[2]。该模型假设流动是一维均匀流,流体在叶片出口任一半径处的相对速度与轴线的夹角等于该半径处叶片的螺旋角,即等于零。实验表明此流量计的重复性误差大于1%[2]。

　　在本研究中,应用磁敏传感器,提出的一种双涡轮动量矩质量流量测量方法,是在双涡轮动量矩理论模型建立上,流动不再看作一维均匀流,考虑了来流速度分布影响;流体在叶片出口处相对速度与轴线的夹角不再简单地看为等于叶片的螺旋角;考虑到了流体通过前端叶轮后所形成的旋转流对后端叶轮的影响。又由于基于机翼理论模型中的一些系数需根据具体产品用验方法才能确定,这里直接利用动量矩定理、叶轮机械边层理论、弹性理论提出了一种能够反映流体粘度、仪表几何参数和来流速度分布等因素影响的理论模型。改变了传统理论模型对第二涡轮特性的描述,使得新建立的模型对于提高质量流量测量的准确度具有实用意义。

　　2　结构及数学模型

　　涡轮质量流量计依据动量矩原理设计[1～2],基本结构如图1所示,主要由壳体、叶轮、支架、轴承、扭转弹簧、磁敏传感器等部件组成。两个安装角不同的涡轮被弹簧连接在一个弹性体上,置于流量计的壳体中,在壳体上设置两个信号检测传感器;在液体流过时由于两个涡轮叶片的安装角不同,驱动力矩不同,力矩差使弹簧产生扭转。扭转角所形成的位移差与质量流量成比例关系。传感器检测位移差并由二次仪表信号处理变换成质量流量。其基本的做法:将小块的永久磁铁嵌入涡轮叶片,在管道外壳安装磁敏传感器,当叶片转动,磁铁处于传感器正下方时,输出脉冲信号。两个脉冲信号经电路信号处理就可以得到涡轮转速和两个涡轮叶片之间相位差。当涡轮结构一定时,容积流量正比于涡轮的转速,两个涡轮叶片的相位差正比于质量流量。

　　当双涡轮流量计的涡轮以恒定的角速度ω旋转时,作用在涡轮叶片上的各种力矩达到平衡。其中,涡轮1的力矩平衡方程为:

　　信号读出装置所产生的阻力矩通常很小,上式中未计入。