懸浮陀螺式質(zhì)量流量計設(shè)計研究

　　1.引言
　　
　　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(kuò)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(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取這個差壓值。　　
　　當(dāng)流體從入口流進(jìn)殼體時，小球會懸浮起來，穩(wěn)定在某勢阱位置。當(dāng)流量達(dá)到一定值時，小球會繞某個固定的軸旋轉(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。該脈沖信號的頻率*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(kuò)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：
　　
　　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(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(dāng)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，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(xué)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(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行流量測量。
　　
　　流體動力學(xué)懸浮效應(yīng)是指在一定流體動力學(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）：
　　
　　式中——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(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)繞球的前半部分時會形成環(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，會產(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)為前面所述的兩個力Fp及Fw對球的作用力之和與液流方向相反。小球懸浮時合力為零，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，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，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)動慣量時，小球就旋轉(zhuǎn)起來了。
　　
　　4.器件的選取
　　
　　整個懸浮陀螺質(zhì)量流量計是由流量傳感器、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；HARTMO-DEM使用的是SymbiosLogic公司的20C15（該芯片可用于實現(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、非線性補(bǔ)償程序、計算、D/A輸出程序等。HART通訊軟件實質(zhì)是HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(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，我們又在實驗管線上進(jìn)行了一系列的實驗。由于溫度、壓力的變化比較小，可以暫時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(shù)K。由式（3）得公式
　　
　　5.實驗數(shù)據(jù)分析
　　
　　進(jìn)行完理論上的研究之后，我們又在實驗管線上進(jìn)行了一系列的實驗。由于溫度、壓力的變化比較小，可以暫時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(shù)K。由式（3）得
　　
　　由上式可以看出，通過檢測壓差信號和體積流量就可以觀察并驗證上面所討論的測量原理是否可行。表1列出了實驗過程中的一組數(shù)據(jù)。
　　　　經(jīng)過計算可得K0=0.0199，由上面的表格可以看出，在整個量程范圍內(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。或者說變化很小。由于實驗條件所限，在小流量和大流量的區(qū)域處數(shù)據(jù)失真，影響了實驗的效果，但作為定性實驗仍能驗證我們的設(shè)計構(gòu)想。總之，在進(jìn)行理論分析和實驗驗證之后，可以肯定利用雙通道法進(jìn)行質(zhì)量流量的測量是*可行的。
　　
　　6.結(jié)論
　　
　　質(zhì)量流量測量是今后流量測量領(lǐng)域的一個不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢，懸浮陀螺質(zhì)量流量計是一種結(jié)合了新穎*的運行機(jī)理而開發(fā)出來的一種利用雙通道法實現(xiàn)質(zhì)量流量測量的新型流量計。具有結(jié)構(gòu)簡單、原理*、壽命長、維護(hù)簡便、計量特性優(yōu)異等突出的優(yōu)點，同時解決了臟污流、兩相流等流量測量問題。
　　
　　相對于傳統(tǒng)的組合式質(zhì)量流量計，它結(jié)構(gòu)簡單，信號*從一個傳感器上取出，處理起來更直接更方便；相對于直接式質(zhì)量流量計，它的價格低很多，具有較高的性能價格比。這種新穎的質(zhì)量流量計的研究開發(fā)符合工業(yè)生產(chǎn)的實際需要，特別是在石油計量和能源節(jié)約方面必將具有很好的發(fā)展前景。