一種新型懸浮陀螺式質(zhì)量流量計的研究

摘要 介紹了一種新型質(zhì)量流量計的理論基礎和實(shí)驗情況。
主題詞 質(zhì)量流量計 懸浮陀螺 流量測量

1. 引 言

隨著(zhù)工業(yè)水平的不斷提高，人們對流量計量的要求也越來(lái)越高，目前發(fā)展的趨勢是單純的體積流量測量已不能滿(mǎn)足工業(yè)要求，而質(zhì)量流量測量作為一種更加穩定的，更符合生產(chǎn)和貿易輸送需求的計量方法得到了廣大用戶(hù)的青睞。

我們所研究的新型懸浮陀螺式質(zhì)量流量計利用雙通道法實(shí)現質(zhì)量流量測量，具有結構簡(jiǎn)單，適用于臟污流及兩相流的測量，抗震性好，傳感器無(wú)須外部供電，使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。下面首先介紹懸浮陀螺流量計的結構與工作原理。

2. 懸浮陀螺質(zhì)量流量計的結構

懸浮陀螺流量傳感器的殼體主要由收縮段、喉段、漸擴段、腹段和尾段組成，如圖1所示。殼體內部封有一個(gè)帶中心通孔的小球，小球的里面與通孔垂直的方向上裝有磁環(huán)。入口和尾部的收縮段與中部的漸擴段使得傳感器的前后產(chǎn)生一定的壓差，可以用差壓傳感器測取這個(gè)差壓值。

當流體從入口流進(jìn)殼體時(shí)，小球會(huì )懸浮起來(lái)，穩定在某勢阱位置。當流量達到一定值時(shí)，小球會(huì )繞某個(gè)固定的軸旋轉起來(lái)，并隨著(zhù)流量的增大而加快，小球的轉速和流量基本呈線(xiàn)性關(guān)系。在傳感器的外部有感應線(xiàn)圈，根據法拉第電磁感應定律，小球的旋轉使得導線(xiàn)切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生電壓脈沖信號。該脈沖信號的頻率完全可以反映球的旋轉頻率，此頻率也正比于流體的體積流量。小球的旋轉頻率與流體體積流量的關(guān)系可寫(xiě)成如下表達式：

f=K2qv （1）

式中 f-----小球的旋轉頻率（可通過(guò)頻率計檢測出來(lái)），Hz；

K2-----傳感器的體積流量系數。
入口和尾部的收縮段與中部的漸擴段產(chǎn)生的壓差信號，通過(guò)差壓傳感器檢出，這路信號可表示為：

式中 qv----被測流體體積流量，m3/s；
p1---傳感器前的壓力，pa;
p2---傳感器后的壓力，pa;
ρ----工作狀況下被測流體的密度，kg/m3；
k1---傳感器的差壓流量系數。

上式可改寫(xiě)成：

（2）

式中 △p——傳感器前、后壓差，即（p1- p2）；


將式（1）、（2）的兩邊分別相除，得

（3）

式中 qm—被測流體的質(zhì)量流量，

K—傳感器的質(zhì)量流量系數。

式（3）是基于雙通道信號檢測原理的新型質(zhì)量流量計的流量方程式。從該方程式可以看出，此新型流量計和傳統的流量儀表不同，當被測流體流經(jīng)傳感器時(shí)會(huì )同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)信號，而且這兩個(gè)信號都和流量有內在的物理聯(lián)系，通過(guò)靈活應用，便得到了上面所示的質(zhì)量流量測量結果。


3. 理論分析

懸浮陀螺流量計工作的物理基礎是流體動(dòng)力學(xué)懸浮效應和動(dòng)量矩原理。前者可以保證小球穩定懸浮，后者將流體動(dòng)能轉化為機械能，再轉換為電能進(jìn)行流量測量。

流體動(dòng)力學(xué)懸浮效應是指在一定流體動(dòng)力學(xué)條件下，位于有限管道中的流體中的旋轉體不與管壁接觸，也不會(huì )被流體沖走而是固定某一位置，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因為特殊的壓力分布，小球能穩定懸浮于流體中某一點(diǎn)（懸浮點(diǎn)）。 在懸浮點(diǎn)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件（假設F是由懸浮點(diǎn)出發(fā)的向量，在懸浮點(diǎn)處r=0）：

式中——流體作用于懸浮體上各個(gè)方向的力；
Fr—任一方向上的作用力；
Kr— r方向上流體動(dòng)力懸浮的剛度系數。

將小球所受的空間力分解為三方向的力：X向（軸向）、y向（徑向）、z向（橫向），由于球在z向上受的力總相等（因為球和管道相對于管道軸線(xiàn)是對稱(chēng)的），所以對球在z向上受力不做分析，只對球在軸向、y向上受力情況進(jìn)行分析。

球在x向上的受力有：在球的迎流面的噴射流的動(dòng)壓頭和靜壓頭所形成的力Fp，粘性摩擦力形成的力Fn，球尾部的靜壓力所形成的力Fw。

流體環(huán)繞懸浮體是連續的，當噴射流環(huán)繞球的前半部分時(shí)會(huì )形成環(huán)流區，環(huán)流區的長(cháng)度由球的迎流面所限制。當連續環(huán)流饒過(guò)球時(shí)，會(huì )產(chǎn)生與液流方向相反的力，這是由于在球的尾部靜壓力恢復的結果。因此可以認為前面所述的兩個(gè)力Fp及Fw對球的作用力之和與液流方向相反。小球懸浮時(shí)合力為零，即達到穩定狀態(tài)。

小球在y向上所受的力有重力Fg，浮力Ff，升力Fs。其中重力Fg方向垂直向下，浮力Ff 及升力Fs方向向上。當流體繞流球時(shí)，由于噴射流與球相互作用而產(chǎn)生上升力Fs。球在y向上懸浮的條件是這些力的合力為零。

小球的旋轉機理可以定性地歸因于球體周?chē)痪鶆虻乃俣确植?。當流體沿球表面繞流時(shí)，在球的通孔兩端口處將產(chǎn)生很大的沖擊力，由于速度分布不均勻，導致這兩端的速度梯度不一樣，在兩端產(chǎn)生的切向力不相等，且作用力方向恰好相反，從而產(chǎn)生不平衡力矩。隨著(zhù)小球的搖擺角度的增加，該不平衡力矩也增大，當力矩大到足以克服小球的轉動(dòng)慣量時(shí)，小球就旋轉起來(lái)了。

4. 器件的選取

整個(gè)懸浮陀螺質(zhì)量流量計是由流量傳感器、A/D轉換器、微控制器、程序和參數存儲器、D/A轉換器、LCD液晶顯示和通訊模塊組成。結構概圖如圖2所示。A/D轉換芯片選用的是AD7715；微處理器選用的是PIC16C73；E2PROM選用的是93LC86；D/A轉換芯片選用的是AD421；HART MO-DEM使用的是Symbios Logic公司的20C15（該芯片可用于實(shí)現HART協(xié)議物理層的要求）。在此只列出所選用的相應器件，具體的應用情況略。

軟件設計主要可分為兩大部分：測控軟件和通訊軟件。測控軟件包括：A/D采樣程序、非線(xiàn)性補償程序、計算、D/A輸出程序等。HART通訊軟件實(shí)質(zhì)是HART協(xié)議的數據鏈路層和應用層的軟件實(shí)現。通訊程序采用串行口中斷方式進(jìn)行數據的接收和發(fā)送。

進(jìn)行完理論上的研究之后，我們又在實(shí)驗管線(xiàn)上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗。由于溫度、壓力的變化比較小，可以暫時(shí)不考慮被測流體密度的變化，則ρ=const，定性地分析儀表的參數K。由式（3）得公式

5. 實(shí)驗數據分析

進(jìn)行完理論上的研究之后，我們又在實(shí)驗管線(xiàn)上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗。由于溫度、壓力的變化比較小，可以暫時(shí)不考慮被測流體密度的變化，則ρ=const，定性地分析儀表的參數K。由式（3）得

由上式可以看出，通過(guò)檢測壓差信號和體積流量就可以觀(guān)察并驗證上面所討論的測量原理是否可行。表1列出了實(shí)驗過(guò)程中的一組數據。

表1 質(zhì)量流量測量定性實(shí)驗數據

經(jīng)過(guò)計算可得K0=0.0199，由上面的表格可以看出，在整個(gè)量程范圍內，除了下限和上限附近，系數K0（并不是真正的儀表系數）基本保持不變?；蛘哒f(shuō)變化很小。由于實(shí)驗條件所限，在小流量和大流量的區域處數據失真，影響了實(shí)驗的效果，但作為定性實(shí)驗仍能驗證我們的設計構想?？傊?，在進(jìn)行理論分析和實(shí)驗驗證之后，可以肯定利用雙通道法進(jìn)行質(zhì)量流量的測量是完全可行的。

6. 結 論

質(zhì)量流量測量是今后流量測量領(lǐng)域的一個(gè)不可逆轉的發(fā)展趨勢，懸浮陀螺質(zhì)量流量計是一種結合了新穎獨特的運行機理而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種利用雙通道法實(shí)現質(zhì)量流量測量的新型流量計。具有結構簡(jiǎn)單、原理獨特、壽命長(cháng)、維護簡(jiǎn)便、計量特性?xún)?yōu)異等突出的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了臟污流、兩相流等流量測量問(wèn)題。

相對于傳統的組合式質(zhì)量流量計，它結構簡(jiǎn)單，信號完全從一個(gè)傳感器上取出，處理起來(lái)更直接更方便；相對于直接式質(zhì)量流量計，它的價(jià)格低很多，具有較高的性能價(jià)格比。這種新穎的質(zhì)量流量計的研究開(kāi)發(fā)符合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，特別是在石油計量和能源節約方面必將具有很好的發(fā)展前景。