一種懸浮陀螺式質(zhì)量流量計的研究
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隨著工業(yè)水平的不斷提高，人們對流量計量的要求也越來越高，目前發(fā)展的趨勢是單純的體積流量測量已不能滿足工業(yè)要求，而質(zhì)量流量測量作為一種更加穩(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)量流量計利用雙通道法實現(xiàn)質(zhì)量流量測量，具有結(jié)構(gòu)簡單，適用于臟污流及兩相流的測量，抗震性好，傳感器無須外部供電，使用壽命長等特點。下面首先介紹懸浮陀螺流量計的結(jié)構(gòu)與工作原理。
2. 懸浮陀螺質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)
懸浮陀螺流量傳感器的殼體主要由收縮段、喉段、漸擴段、腹段和尾段組成，如圖1所示。殼體內(nèi)部封有一個帶中心通孔的小球，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差壓值。
f=K2qv （1）
式中 f-----小球的旋轉(zhuǎn)頻率（可通過頻率計檢測出來），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段產(chǎn)生的壓差信號，通過差壓傳感器檢出，這路信號可表示為：
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(shù)。
上式可改寫成：
（2）
將式（1）、（2）的兩邊分別相除，得
（3）
K—傳感器的質(zhì)量流量系數(shù)。
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(tǒng)的流量儀表不同，當被測流體流經(jīng)傳感器時會同時產(chǎn)生兩個信號，而且這兩個信號都和流量有內(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)量流量測量結(jié)果。
3. 理論分析
懸浮陀螺流量計工作的物理基礎(chǔ)是流體動力學懸浮效應(yīng)和動量矩原理。前者可以保證小球穩(wěn)定懸浮，后者將流體動能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)換為電能進行流量測量。
流體動力學懸浮效應(yīng)是指在一定流體動力學條件下，位于有限管道中的流體中的旋轉(zhuǎn)體不與管壁接觸，也不會被流體沖走而是固定某一位置，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。因為特殊的壓力分布，小球能穩(wěn)定懸浮于流體中某一點（懸浮點）。 在懸浮點滿足以下兩個條件（假設(shè)F是由懸浮點出發(fā)的向量，在懸浮點處r=0）：
——流體作用于懸浮體上各個方向的力； Fr—任一方向上的作用力；
Kr— r方向上流體動力懸浮的剛度系數(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（因為球和管道相對于管道軸線是對稱的），所以對球在z向上受力不做分析，只對球在軸向、y向上受力情況進行分析。
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