一種懸浮陀螺式質(zhì)量流量計(jì)的研究
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隨著工業(yè)水平的不斷提高，人們對(duì)流量計(jì)量的要求也越來越高，目前發(fā)展的趨勢(shì)是單純的體積流量測(cè)量已不能滿足工業(yè)要求，而質(zhì)量流量測(cè)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(jì)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(jì)利用雙通道法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡單，適用于臟污流及兩相流的測(cè)量，抗震性好，傳感器無須外部供電，使用壽命長等特點(diǎn)。下面首先介紹懸浮陀螺流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理。
2. 懸浮陀螺質(zhì)量流量計(jì)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(gè)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(cè)取這個(gè)差壓值。
f=K2qv （1）
式中 f-----小球的旋轉(zhuǎn)頻率（可通過頻率計(jì)檢測(cè)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(hào)，通過差壓傳感器檢出，這路信號(hào)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(cè)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(hào)檢測(cè)原理的新型質(zhì)量流量計(jì)的流量方程式。從該方程式可以看出，此新型流量計(jì)和傳統(tǒng)的流量儀表不同，當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)傳感器時(shí)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，而且這兩個(gè)信號(hào)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(cè)量結(jié)果。
3. 理論分析
懸浮陀螺流量計(jì)工作的物理基礎(chǔ)是流體動(dòng)力學(xué)懸浮效應(yīng)和動(dòng)量矩原理。前者可以保證小球穩(wěn)定懸浮，后者將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行流量測(cè)量。
流體動(dòng)力學(xué)懸浮效應(yīng)是指在一定流體動(dòng)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(huì)被流體沖走而是固定某一位置，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因?yàn)樘厥獾膲毫Ψ植迹∏蚰芊€(wěn)定懸浮于流體中某一點(diǎn)（懸浮點(diǎn)）。 在懸浮點(diǎn)滿足以下兩個(gè)條件（假設(shè)F是由懸浮點(diǎn)出發(fā)的向量，在懸浮點(diǎn)處r=0）：
——流體作用于懸浮體上各個(gè)方向的力； Fr—任一方向上的作用力；
Kr— r方向上流體動(dòng)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?yàn)榍蚝凸艿老鄬?duì)于管道軸線是對(duì)稱的），所以對(duì)球在z向上受力不做分析，只對(duì)球在軸向、y向上受力情況進(jìn)行分析。
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