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BURKERT流量計及顯示儀表原理分析

發布時間:2017-08-30

    BURKERT流量計及顯示儀表原理分析
    BURKERT流量計使用中的主要特點：體積小；重量輕；準確度*(有的流量計可以當作計量標準儀表)；反應時間快(有些可達到毫秒級)；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，故不易受到干擾；可以長距離傳輸，便于各種參數處理。當它與多功能、多參數的顯示儀表(以下簡稱儀表)組合使用時，可以同時對累積流量、瞬時流量或流體溫度、內部壓力等參數進行測量及分析、調節。
    BURKERT流量計通常由渦輪(機械部分)、磁電轉換器、放大機構(電子部分)等組成。
    當流體流經安裝在管道里的渦輪，即流經渦輪葉片與管道之間的間隙時，由于流體的沖擊作用，使得渦輪圍繞軸心發生旋轉。同時實驗表明，渦輪旋轉的轉數與介質流體的體積流量呈現近似的線性關系。再將渦輪的旋轉通過磁電轉換器變換成相對應的電脈沖信號，以此脈沖信號經電子放大機構放大后，即可輸送顯示儀表進行多參數物理量的指示。
    由前可知，在測量范圍內，渦輪的轉速與流量成正比，而信號的脈沖數則與渦輪的轉速成正比。所以，當我們檢測出信號脈沖總數以后，除以儀表常數ξ(次/升)，便可計算得到該段時間內的介質流體總量 V(升)，即：
    V＝N/ξ(L) ???????????(1)
    舉一例：流量計ξ為 180 次/L，用儀器測出在10,min 內儀表計算得的脈沖數為 7,200 次，則 10,min內管道中流過流體的總量為：
    V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
    2 渦輪旋轉的基本原理
    渦輪流量計主要組件包括：導流體組件、渦輪組件、殼體、磁電轉換器和放大機構等。通過對流體流過管道及渦輪結構的分析，我們可以得出，當流體沿管道的軸線方向流動而沖擊渦輪葉片時，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，推動渦輪旋轉。
    如圖 2 所示，由于渦輪對流體是作相對運動，如果渦輪旋轉的圓周速度 V＝w·r 與軸線平行的流速與葉片的夾角為θ，流通面積為 A，則介質流速 V＝Q/A，則推動渦輪旋轉的力矩 M 可用下式表示：
    M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ ???????????(2)
    式中：K1——與流量計結構尺寸、流體質量、狀態有關的參數；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 有關外，與流體介質密度ρ、流動狀態與流向等多個因素有關。
    在渦輪旋轉時，除推動渦輪旋轉的轉動力矩 M外，還同時存在阻礙渦輪旋轉的阻力矩，其中包括：介質粘度對渦輪摩擦引起的阻力矩 M1，軸承摩擦引起的阻力矩 M2，磁電轉換器引起的磁電反應阻力矩M3。根據動量矩守恒原理，渦輪的運動方程式可以用以下函數關系式表示：
    Jdω/dt＝M－M1－M2－M3????????? (3)
    式中：J——渦輪的轉動慣量；dω/dt——渦輪的角加速度。
    由(3)式可知，當 dω/dt 為零時，渦輪以角速度ω作勻速轉動；當流量發生變化時，dω/dt≠0，渦輪將作加速旋轉運動，經過一段時間后，隨著流量的穩定，渦輪又會達到新的力矩平衡狀態，即 dω/dt 又等于零值。就是說，渦輪將以另一新的角速度勻速旋轉，以適應新的流量，并出現了新的穩定狀態。
    通過分析和計算可知，在 dω/dt＝0 時，渦輪轉動角速度ω與體積流量 Q 有如下式的近似關系：
    ω＝ξQ－ξa ???????????(4)
    式中：a——與流量計結構參數、流體介質、流動狀態有關的系數；ξ——流量計轉換系數，當介質流量大于某一數值時，在一段區間內可以近似看作為一常數，有時也稱為儀表常數。
    儀表常數ξ是流量計重要的特性參數，由于流量計是通過磁電轉換器將角速度ω 轉換成相應的脈沖數，因而我們可以把ξ看成是單位體積流量 Q 通過流量計時，轉換器輸出的脈沖數(脈沖數/升)，故也稱為流量系數。流量計作為產品出廠時，單位則是測取測量范圍內的轉換系數平均值作為儀表常數，因而可以認為流體總量 V 與脈沖數 N 的關系，如(5)式所示：
    V＝N/ξ??????????????? ?(5)
    BURKERT流量計的工作過程
    磁電轉換器工作時如圖 3 所示。
    當流體通過渦輪葉片時，渦輪 5 將發生旋轉運動，葉輪片 4 將周期性切割磁鋼 1 而產生磁力線 3，從而改變通過線圈 2 的磁通量，根據電磁感應原理，在線圈內將感應出脈動的電勢信號。不難理解，脈動電勢信號的頻率與渦輪旋轉的角速度ω成正比，即與被測介質的流量 Q 成正比。通過放大機構(電子部分)將上述脈沖信號放大到 1V 左右脈沖電壓，傳送給顯示儀表，即可顯示出被測介質的流量數據。

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