一種新型懸浮陀螺式質(zhì)量流量計(jì)的研究

摘要 介紹了一種新型質(zhì)量流量計(jì)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)情況。
主題詞 質(zhì)量流量計(jì) 懸浮陀螺 流量測(cè)量

1. 引 言

隨著工業(yè)水平的不斷提高，人們對(duì)流量計(jì)量的要求也越來越高，目前發(fā)展的趨勢(shì)是單純的體積流量測(cè)量已不能滿足工業(yè)要求，而質(zhì)量流量測(cè)量作為一種更加穩(wěn)定的，更符合生產(chǎn)和貿(mào)易輸送需求的計(jì)量方法得到了廣大用戶的青睞。

我們所研究的新型懸浮陀螺式質(zhì)量流量計(jì)利用雙通道法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于臟污流及兩相流的測(cè)量，抗震性好，傳感器無須外部供電，使用壽命長等特點(diǎn)。下面首先介紹懸浮陀螺流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理。

2. 懸浮陀螺質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

懸浮陀螺流量傳感器的殼體主要由收縮段、喉段、漸擴(kuò)段、腹段和尾段組成，如圖1所示。殼體內(nèi)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(kuò)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(cè)取這個(gè)差壓值。

當(dāng)流體從入口流進(jìn)殼體時(shí)，小球會(huì)懸浮起來，穩(wěn)定在某勢(shì)阱位置。當(dāng)流量達(dá)到一定值時(shí)，小球會(huì)繞某個(gè)固定的軸旋轉(zhuǎn)起來，并隨著流量的增大而加快，小球的轉(zhuǎn)速和流量基本呈線性關(guān)系。在傳感器的外部有感應(yīng)線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，小球的旋轉(zhuǎn)使得導(dǎo)線切割磁力線，產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)的頻率完全可以反映球的旋轉(zhuǎn)頻率，此頻率也正比于流體的體積流量。小球的旋轉(zhuǎn)頻率與流體體積流量的關(guān)系可寫成如下表達(dá)式：

f=K2qv （1）

式中 f-----小球的旋轉(zhuǎn)頻率（可通過頻率計(jì)檢測(cè)出來），Hz；

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

式中 qv----被測(cè)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(cè)流體的密度，kg/m3；
k1---傳感器的差壓流量系數(shù)。

上式可改寫成：

（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(cè)流體的質(zhì)量流量，

K—傳感器的質(zhì)量流量系數(shù)。

式（3）是基于雙通道信號(hào)檢測(cè)原理的新型質(zhì)量流量計(jì)的流量方程式。從該方程式可以看出，此新型流量計(jì)和傳統(tǒng)的流量儀表不同，當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)傳感器時(shí)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，而且這兩個(gè)信號(hào)都和流量有內(nèi)在的物理聯(lián)系，通過靈活應(yīng)用，便得到了上面所示的質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果。


3. 理論分析

懸浮陀螺流量計(jì)工作的物理基礎(chǔ)是流體動(dòng)力學(xué)懸浮效應(yīng)和動(dòng)量矩原理。前者可以保證小球穩(wěn)定懸浮，后者將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行流量測(cè)量。

流體動(dòng)力學(xué)懸浮效應(yīng)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(zhuǎn)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?yàn)樘厥獾膲毫Ψ植?，小球能穩(wěn)定懸浮于流體中某一點(diǎn)（懸浮點(diǎn)）。 在懸浮點(diǎn)滿足以下兩個(gè)條件（假設(shè)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(shù)。

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?yàn)榍蚝凸艿老鄬?duì)于管道軸線是對(duì)稱的），所以對(duì)球在z向上受力不做分析，只對(duì)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(xù)的，當(dāng)噴射流環(huán)繞球的前半部分時(shí)會(huì)形成環(huán)流區(qū)，環(huán)流區(qū)的長度由球的迎流面所限制。當(dāng)連續(xù)環(huán)流饒過球時(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(fù)的結(jié)果。因此可以認(rèn)為前面所述的兩個(gè)力Fp及Fw對(duì)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(dá)到穩(wěn)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(dāng)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(zhuǎn)機(jī)理可以定性地歸因于球體周圍不均勻的速度分布。當(dāng)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(dǎo)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。隨著小球的搖擺角度的增加，該不平衡力矩也增大，當(dāng)力矩大到足以克服小球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，小球就旋轉(zhuǎn)起來了。

4. 器件的選取

整個(gè)懸浮陀螺質(zhì)量流量計(jì)是由流量傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器、程序和參數(shù)存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、LCD液晶顯示和通訊模塊組成。結(jié)構(gòu)概圖如圖2所示。A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)HART協(xié)議物理層的要求）。在此只列出所選用的相應(yīng)器件，具體的應(yīng)用情況略。

軟件設(shè)計(jì)主要可分為兩大部分：測(cè)控軟件和通訊軟件。測(cè)控軟件包括：A/D采樣程序、非線性補(bǔ)償程序、計(jì)算、D/A輸出程序等。HART通訊軟件實(shí)質(zhì)是HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)。通訊程序采用串行口中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yàn)管線上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。由于溫度、壓力的變化比較小，可以暫時(shí)不考慮被測(cè)流體密度的變化，則ρ=const，定性地分析儀表的參數(shù)K。由式（3）得公式

5. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

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

由上式可以看出，通過檢測(cè)壓差信號(hào)和體積流量就可以觀察并驗(yàn)證上面所討論的測(cè)量原理是否可行。表1列出了實(shí)驗(yàn)過程中的一組數(shù)據(jù)。

表1 質(zhì)量流量測(cè)量定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)過計(jì)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(nèi)，除了下限和上限附近，系數(shù)K0（并不是真正的儀表系數(shù)）基本保持不變?；蛘哒f變化很小。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，在小流量和大流量的區(qū)域處數(shù)據(jù)失真，影響了實(shí)驗(yàn)的效果，但作為定性實(shí)驗(yàn)仍能驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)構(gòu)想?？傊谶M(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，可以肯定利用雙通道法進(jìn)行質(zhì)量流量的測(cè)量是完全可行的。

6. 結(jié) 論

質(zhì)量流量測(cè)量是今后流量測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，懸浮陀螺質(zhì)量流量計(jì)是一種結(jié)合了新穎獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)理而開發(fā)出來的一種利用雙通道法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的新型流量計(jì)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理獨(dú)特、壽命長、維護(hù)簡(jiǎn)便、計(jì)量特性優(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(cè)量問題。

相對(duì)于傳統(tǒng)的組合式質(zhì)量流量計(jì)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)完全從一個(gè)傳感器上取出，處理起來更直接更方便；相對(duì)于直接式質(zhì)量流量計(jì)，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(jì)的研究開發(fā)符合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，特別是在石油計(jì)量和能源節(jié)約方面必將具有很好的發(fā)展前景。