气压式灰位传感器的研究

　　前人已对灰位(或料位)传感器作了大量的研究,研制出各种传感器,如声波灰位传感器、电阻短路式灰位传感器、电容式灰位传感器以及重锤式灰位传感器等[1]。所有这些传感器都是利用灰料对传感元件的作用而使传感器动作,适用于各种场合。我们针对灰料容器内气体压力为正压或负压的特点,研制出一种新型灰位传感器。其结构简单,运行可靠。

　　1　传感器结构及工作原理

　　传感器结构如图1所示。它由气电开关、毛细管、均压室、连接管组成。其工作原理如下:当灰料没有封住连接管下端入口时,在均压室内压强的作用下,气体通过毛细管流入均压室内。由于毛细管的内径很小且毛细管很长,从而保证了连接管及均压室内的压强等于灰料容器内的压强,使气电开关处于状态1;当灰料封住连接管入口时,如果均压室内压强为正,则均压室内气体通过毛细管流入大气,均压室内压强下降,当其压强下降到一定值时,气电开关动作而处于状态2;如果均压室内压强为负,则大气通过毛细管流入均压室,均压室内压强升高,当其压强达到预设数值时,气电开关动作而处于状态2。由此可见,该传感器是通过气压的升降而工作的。

　　2　传感器的设计和研制

　　传感器的设计包括对毛细管管径及管长、均压室容积大小、连接管管径以及气电开关型号的确定。

　　毛细管及均压室设计原则为:当灰料没有封住连接管入口时,在均压室内压强的作用下,经毛细管流入(均压室内压强为负)或流出(均压室内压强为正)的气体尽量少,以减少外界空气的渗入或均压室内气体的流出;当灰料封住连接管入口时,由于均压室内压强的作用,空气经毛细管流入或流出,使得均压室内压强的绝对值向零值靠近,当达到某一数值(如相对压强或真空度为60Pa)时,气电开关动作。要求上述整个动作过程时间尽量短,以减少传感器的滞后作用。

　　当灰料没有封住连接管下端入口时,可用如图2所示的示意图对传感器进行设计。

　　取过流断面1-1,2-2,如均压室内压强为负值(某一真空度),则由一元流动伯努利方程[2]有

　　式中:Z,P/γ,aυ2/(2g)——流体的位压、静压和动压;hL1-2——断面1-2间的流体流动损失;

　　γ——流体容重;g——重力加速度;υ——毛细管内流速;下标1,2分别表示过流断面1-1,2-2。由于Z1=Z2,P1/γ+α1υ21/(2g)=0,υ2=0,α1=α2≈1,则式(1)变为:

　　阻力系数ξ为[3]:

　　式中:R——螺旋管曲率半径;D——圆管断面直径;δ——螺旋管缠绕角度。

　　对于毛细管内流动,当雷诺数Re小于600时,λ的计算式为: