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BURKERT流量計(jì)及顯示儀表原理分析

發(fā)布時(shí)間:2017-08-30

    BURKERT流量計(jì)及顯示儀表原理分析
    BURKERT流量計(jì)使用中的主要特點(diǎn)：體積小；重量輕；準(zhǔn)確度*(有的流量計(jì)可以當(dāng)作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀表)；反應(yīng)時(shí)間快(有些可達(dá)到毫秒級(jí))；量程比寬(一般為10∶1)；壓力損失小；適用工作流體溫度*；輸出為脈沖信號(hào)，故不易受到干擾；可以長(zhǎng)距離傳輸，便于各種參數(shù)處理。當(dāng)它與多功能、多參數(shù)的顯示儀表(以下簡(jiǎn)稱(chēng)儀表)組合使用時(shí)，可以同時(shí)對(duì)累積流量、瞬時(shí)流量或流體溫度、內(nèi)部壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量及分析、調(diào)節(jié)。
    BURKERT流量計(jì)通常由渦輪(機(jī)械部分)、磁電轉(zhuǎn)換器、放大機(jī)構(gòu)(電子部分)等組成。
    當(dāng)流體流經(jīng)安裝在管道里的渦輪，即流經(jīng)渦輪葉片與管道之間的間隙時(shí)，由于流體的沖擊作用，使得渦輪圍繞軸心發(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)與介質(zhì)流體的體積流量呈現(xiàn)近似的線(xiàn)性關(guān)系。再將渦輪的旋轉(zhuǎn)通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換器變換成相對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，以此脈沖信號(hào)經(jīng)電子放大機(jī)構(gòu)放大后，即可輸送顯示儀表進(jìn)行多參數(shù)物理量的指示。
    由前可知，在測(cè)量范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比，而信號(hào)的脈沖數(shù)則與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。所以，當(dāng)我們檢測(cè)出信號(hào)脈沖總數(shù)以后，除以?xún)x表常數(shù)ξ(次/升)，便可計(jì)算得到該段時(shí)間內(nèi)的介質(zhì)流體總量 V(升)，即：
    V＝N/ξ(L) ???????????(1)
    舉一例：流量計(jì)ξ為 180 次/L，用儀器測(cè)出在10,min 內(nèi)儀表計(jì)算得的脈沖數(shù)為 7,200 次，則 10,min內(nèi)管道中流過(guò)流體的總量為：
    V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
    2 渦輪旋轉(zhuǎn)的基本原理
    渦輪流量計(jì)主要組件包括：導(dǎo)流體組件、渦輪組件、殼體、磁電轉(zhuǎn)換器和放大機(jī)構(gòu)等。通過(guò)對(duì)流體流過(guò)管道及渦輪結(jié)構(gòu)的分析，我們可以得出，當(dāng)流體沿管道的軸線(xiàn)方向流動(dòng)而沖擊渦輪葉片時(shí)，便有與流量 Q、密度φ和流速 V 的乘積成比例的力作用于葉片上，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。
    如圖 2 所示，由于渦輪對(duì)流體是作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果渦輪旋轉(zhuǎn)的圓周速度 V＝w·r 與軸線(xiàn)平行的流速與葉片的夾角為θ，流通面積為 A，則介質(zhì)流速 V＝Q/A，則推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的力矩 M 可用下式表示：
    M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ ???????????(2)
    式中：K1——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、流體質(zhì)量、狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)；r——平均半徑，常取葉片寬度 1/2 到中心的距離。
    由(2)式可知，力矩 M 除與流量 Q 有關(guān)外，與流體介質(zhì)密度ρ、流動(dòng)狀態(tài)與流向等多個(gè)因素有關(guān)。
    在渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，除推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 M外，還同時(shí)存在阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)的阻力矩，其中包括：介質(zhì)粘度對(duì)渦輪摩擦引起的阻力矩 M1，軸承摩擦引起的阻力矩 M2，磁電轉(zhuǎn)換器引起的磁電反應(yīng)阻力矩M3。根據(jù)動(dòng)量矩守恒原理，渦輪的運(yùn)動(dòng)方程式可以用以下函數(shù)關(guān)系式表示：
    Jdω/dt＝M－M1－M2－M3????????? (3)
    式中：J——渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；dω/dt——渦輪的角加速度。
    由(3)式可知，當(dāng) dω/dt 為零時(shí)，渦輪以角速度ω作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，dω/dt≠0，渦輪將作加速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，隨著流量的穩(wěn)定，渦輪又會(huì)達(dá)到新的力矩平衡狀態(tài)，即 dω/dt 又等于零值。就是說(shuō)，渦輪將以另一新的角速度勻速旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)新的流量，并出現(xiàn)了新的穩(wěn)定狀態(tài)。
    通過(guò)分析和計(jì)算可知，在 dω/dt＝0 時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω與體積流量 Q 有如下式的近似關(guān)系：
    ω＝ξQ－ξa ???????????(4)
    式中：a——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體介質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)；ξ——流量計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)，當(dāng)介質(zhì)流量大于某一數(shù)值時(shí)，在一段區(qū)間內(nèi)可以近似看作為一常數(shù)，有時(shí)也稱(chēng)為儀表常數(shù)。
    儀表常數(shù)ξ是流量計(jì)重要的特性參數(shù)，由于流量計(jì)是通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換器將角速度ω 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)，因而我們可以把ξ看成是單位體積流量 Q 通過(guò)流量計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖數(shù)(脈沖數(shù)/升)，故也稱(chēng)為流量系數(shù)。流量計(jì)作為產(chǎn)品出廠時(shí)，單位則是測(cè)取測(cè)量范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換系數(shù)平均值作為儀表常數(shù)，因而可以認(rèn)為流體總量 V 與脈沖數(shù) N 的關(guān)系，如(5)式所示：
    V＝N/ξ??????????????? ?(5)
    BURKERT流量計(jì)的工作過(guò)程
    磁電轉(zhuǎn)換器工作時(shí)如圖 3 所示。
    當(dāng)流體通過(guò)渦輪葉片時(shí)，渦輪 5 將發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，葉輪片 4 將周期性切割磁鋼 1 而產(chǎn)生磁力線(xiàn) 3，從而改變通過(guò)線(xiàn)圈 2 的磁通量，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線(xiàn)圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動(dòng)的電勢(shì)信號(hào)。不難理解，脈動(dòng)電勢(shì)信號(hào)的頻率與渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度ω成正比，即與被測(cè)介質(zhì)的流量 Q 成正比。通過(guò)放大機(jī)構(gòu)(電子部分)將上述脈沖信號(hào)放大到 1V 左右脈沖電壓，傳送給顯示儀表，即可顯示出被測(cè)介質(zhì)的流量數(shù)據(jù)。

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