摘要 介绍了一种新型质量流量计的理论基本和实验情况。
主题词 质量流量计 悬浮陀螺 流量测量

1. 引 言

跟着工业程度的赓续进步，人们对流量计量的请求也越来越高，今朝成长的趋势是纯真的体积流量测量已不克不及知足工业请求，而质量流量测量作为一种加倍稳定的，更相符临盆和贸易输撕孟耋的计量办法获得了广大年夜用户的青睐。


2. 悬浮陀螺质量流量计的构造

悬浮陀螺流量传感器的壳体重要由紧缩段、喉段、渐扩段、腹段和尾段构成，如图1所示。壳体内部封有一个带中间通孔的小球，小球的琅绫擎与通孔垂直的偏向上装有磁环。人口和尾部的紧缩段与中部的渐扩段使得传感器的前后产生必定的压差，可以用差压传感器测取这个差压值。

当流体大年夜人口流进壳体时，小球会悬浮起来，稳定在某势阱地位。当流量达到必定值瓯，小球会绕某个固定的轴扭转起来，并跟着流量的增大年夜而加快，小球的转速和流量根本呈线性关系。在传感器的外部有感应线圈，根据法拉第电磁感应定律，小球的扭转使得导线切割磁力线，产生电压脉冲旌旗灯号。该脉冲旌旗灯号的频率完全可以反竽暌钩球的扭转频率，此频率也正比于流体的体积流量。小球的扭转频率与流体体积流量的关系可写成如下表达式：

f=K2qv （1）

式中 f-----小球的扭转频率（可经由过程频率计检测出来），Hz；

K2-----传感器的体积流量系数。
人口和尾部的紧缩段与中部的渐扩段产生的压差旌旗灯号，经由过程差压传感器检出，这路旌旗灯号可表示为：

我们所研究的新型悬浮陀螺式质量流量计应用双通道法实现质量流量测量，具有构造简单，实用于脏浊流及两相流的测量，抗震性好，传感器无须外部供电，应用寿命长等特点。下面起首介绍悬浮陀螺流量计的构造与工作道理。

式中 qv----被测流体体积流量，m3/s；
p1---传感器前的压力，pa;
p2---传感器后的压力，pa;
k1---传感器的差压流量系数。

上式可改写成：

（2）

式中 △p——传感器前、后压差，即（p1- p2）；


将式（1）、（2）的两边分别相除，得

（3）

式中 qm—被测流体的质量流量，

K—传感器的质量流量系数。

式（3）是基于双通道旌旗灯号检测道理的新型质量流量计的流量方程式。大年夜该方程式可以看出，此新型流量计和传统的流量仪表不合，当被测流体流经传感器时会同时产生两个旌旗灯号，并且这两个旌旗灯号都和流量有内涵的物理接洽，经由过程灵活应用，便获得了膳绫擎所示的质量流量测量结不雅。

3. 理论分析


悬浮陀螺流量计工作的物理基本是流体动力学悬浮效应和动量矩道理。前者可以包管小球稳定悬浮，后者将流体动能转化为机械能，再转换为电能进行流量测量。

式中——流体感化于悬浮体上付啦毛向的力；
流体动力学悬浮效应是指在必定流体动力学前提下，位于有限管道中的流体中的扭转体不与管壁接触，也不会被流体冲走而是固定某一地位，处于动态均衡状况。因为特别的压力分布，小球能稳定悬浮于流体中某一点（悬浮点）。 在悬浮点知足以下两个前提（假设F是由悬浮点出发的向量，在悬浮点处r=0）：
Fr—任一偏向上的感化力；

Kr— r偏向上流体动力悬浮的刚度系数。

将小球所受的空间力分化为三偏向的力：X向（轴向）、y向（径向）、z向（横向），因为球在z向上受的力总相等（因为球和管道相对于管道轴线是对称的），所以对球在z向上受力不做分析，只对球在轴向、y向上受力情况进行分析。

球在x向上的受力有：在球的迎流面的喷射流的动压头和静压头所形成的力Fp，粘性摩擦力形成的力Fn，球尾部的静窆力所形成的力Fw。

流体环绕悬浮体是持续的，当喷射流环绕球的前半部分时会形成环流区，环流区的长度由球的迎流面所限制。当持续环流饶过球时，会产生与液流偏向相反的力，这是因为在球的尾部静压力恢复的结不雅。是以可以认为前面所述的两个力Fp及Fw对球的感化力之和与液流偏向相反。小球悬浮时合力为零，即达到稳定状况。

小球在y向上所受的力有重力Fg，浮力Ff，升力Fs。个中重力Fg偏向垂直向下，浮力Ff 及升力Fs偏向向上。当流体绕流球时，因为喷射流与球互相感化而产生上升力Fs。球在y向上悬浮的前提是这些力的合力为零。
小球的扭起色理可以定性地归因于球体四周不平均的速度分布。当流体沿球外面绕流时，在球的通孔两端口处将产生很大年夜的冲击力，因为速度分布不平均，导致这两端的速度梯度不一样，在两端产生的切向力不相等，且感化力偏向恰英国沃森好相反，大年夜而产生不均衡力矩。跟着小球的扭捏角度的增长，该不均衡力矩也增大年夜，当力矩大年夜到足以克服小球的迁移转变惯量时，小球就扭转起来了。

4. 器件的拔取

全部悬浮陀螺质量流量计是由流量传感器、A/D转换器、微控制器、法度榜样和参数存储器、D/A转换器、LCD液晶显示和通信模块构成。构造概图如图2所示。A/D转换鸢熏选用的是AD7715；微处理器选用的是PIC16C73；E2PROM选用的是93LC86；D/A转换鸢熏选用的是AD421；HART MO-DEM应用的是Symbios Logic公司的20C15（该芯片可用于实现HART协定物理层的请求）。在此只列出所选用的响应器件，具体的应用情况略。

软件设计重要可分为两大年夜部分：测控软件和通信软件。测控软件包含：A/D采样法度榜样、非线性补偿法度榜样、计算、D/A输出法度榜样等。HART通信软件本质是HART协定的数据链路层和应用层的软件实现。通信法度榜样采取串行口中断方法进行数据的接收和发送。

进行完理论上的研究之后，我们又在实验管线长进行了一系列的实验。因为温度、压力的变更比较小，可以临时不推敲被测流体密度的变更，则ρ=const，定性地分析仪表的参数K。由式（3）得公式

5. 实验数据分析

进行完理论上的研究之后，我们又在实验管线长进行了一系列的实验。因为温度、压力的变更比较小，可以临时不推敲被测流体密度的变更，则ρ=const，定性地分析仪表的参数K。由式（3）得

由上式可以看出，经由过程检测压差旌旗灯号和体积流量就可以不雅察并验证膳绫擎所评论辩论的测量道理是否可行。表1列出了实验过程中的一组数据。
ρ----工作状况下被测流体的密度，kg/m3；

表1 质量流量测量定性实验数据

经由计算可得K0=0.0199，由膳绫擎的表格可以看出，在全部量程范围内，除了下限和上限邻近，系数K0（并不是真正的仪表系数）根本保持不变。或者说变更很小。因为实验前提所限，在小流量和大年夜流量的区域处数据掉真，影响了实验的效不雅，但作为定性实验仍能验证我们的设计构思。总之，在进行理论分析和实验验证之后，可以肯定应用双通道法进行质量流量的测量是完全可行的。

6. 结 论

质量流量测量是往后道量测量范畴的一个弗成逆转的成长趋势，悬浮陀螺质量流量计是一种结合了新鲜独特的运行机理而开辟出来的一种应用双通道法实现质量流量测量的新型流量计。具有构造简单、道理独特、寿命长、保护简便、计量特点优良等凸起的长处，同时解决了脏浊流、两相流等流量测量问题。
相对于传统的组合式质量流量计，它构造简单，旌旗灯号完全年腋荷琐传感器上掏出，处理起来更直接更便利；相对于直接式质量流量计，它的价格低很多，具有较高的机能价格比。这种新鲜的质量流量计的研究开辟相符工业临盆的实际须要，特别是在石油计量和能源节约方面必将具有很好的成长前景。 (end)