磁浮型渦輪流量計的結構和原理

渦輪流量計具有***度高(可達±0.25%)、范圍寬度(10:1)、慣性小(毫秒級)、耐壓高(可達0MPa)、輸出信號為頻率信號、容易實現流量積算和定量控制、信號傳輸距離大等優點而被廣泛使用。但是,由于渦輪流量計在工作時渦輪的轉速很高,軸承又不能潤滑,所以軸承的磨損很快軸承的壽命很短。這是渦輪流量計的致命弱點它限制了渦輪流量計的廣泛使用。為了解決這個問題,我們采用磁浮軸承代替滾珠軸承,改旋轉葉輪形式為旋轉葉輪圈形式,使葉輪圈懸浮在流量計的內徑中,由于葉輪圖旋轉時與其它部位無接觸,所以不存在摩擦損耗磁浮型渦輪流量計的使用壽命基本上取決于驅動電磁線圈的半導體功率

模塊。半導體功率模塊的正常使用壽命大于10000小時,并且半導體功率模塊作為流量計的個外部部件,拆卸掉換都很方便。只要定期更換外部的半導體功率模塊,渦輪流量計就能長期工作。

一、結構和原理

磁浮型渦輪流量計的結構如下圖所示。圖的正中間是葉輪圈,它在上下左右四個電磁線圈的作用下懸浮在流量計的內徑中間。推磁軸承的作用是保證葉輪圈能承受被測流體的推力。實際的磁浮型流量計的電磁線圈不止四個,為了簡明起見只畫了四個電磁線圈。根據間隙傳感器的檢測信號,位于功率模塊中的控制器實時地調整各個線圈電流的大小,從而使葉輪圈始終處于流量計的內徑中間。由于旋轉體葉輪圈與管徑內壁無接觸,不存在任何磨擦力矩,因此,沒有普通渦輪流量計存在的起始死區。當葉輪在被測流體推動下轉動時,葉輪圈上的永磁體也隨著轉動,當它經過霍爾接近開關下面時便產生一個脈沖信號。脈沖的頻率與葉輪圈的轉速成正比,而葉輪圈的轉速則與被測流體的流速成正比。渦輪流量汁的葉輪在被測流體的推動下產生旋轉運動,其運動方程為:

J=dw/dt=Md-MiMt-Mg

式中J—葉輪的慣性矩

w—葉輪的轉動角速度

Md——推動葉輪的主動力矩

Mi——流體對葉輪的摩擦力矩

Mt——葉輪軸承的摩擦力矩

Mg—電磁轉換器作用于葉輪上的電磁反應力矩

Mt和Mg使得渦輪流量計在被測流體流速低時非線性嚴重。磁浮型渦輪流量計由于不存在Mt和Mg,因而在被測流體流速低時也有較好的線性度。影響磁浮型流量計線性度的因素儀是被測流體的粘度。從這一點來說,磁浮型渦輪流量計和普通渦輪流量計的適用范圍是一樣的。

二、模擬實驗

我們渦輪流量計原有的基礎上對模擬實驗裝置加以改裝后進行了模擬實驗,由于實驗條件所限,以排氣扇排出的氣流作為被測流體,在此氣流的推動下葉輪圈的轉速曾達到1200轉。改變氣流推動的角度,使其偏離軸線30,葉輪圈仍能平穩的轉動。

三、結論

對于磁浮軸承在渦輪流量計上的應用,我們作了初步的嘗試,理論分析和模擬試驗表明,磁浮型渦輪流量計的使用壽命與金屬的強度沒有多大關系,在不更換半導體功率模塊的條件下,其壽命約為普通渦輪流量計的三倍。另外,磁浮型渦輪流量計對金屬材料和機械加工的要求要比普通渦輪流量計低。雖然磁浮型渦輪流量計在結構上增加了磁力控制和間隙檢測部分,成本有所提高,但是將機加工費用、維護費用的降低和使用壽命的提高綜合起來考慮,總成本是下降的,因此,磁浮型流量計的實用化是很有希望的。
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