0引言
金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)(以下簡稱流量計(jì))具有測量介質(zhì)種類多、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、可測中小流量、壓力損失恒定、使用壽命長、易于維護(hù)、能就地指示流量值等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、能源、輕工等工業(yè)部門中的流量測量。
金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)屬于面積式流量計(jì),基于定壓降變節(jié)流面積測量流量,如圖1所示。流量計(jì)垂直安裝在管道上,當(dāng)流體自下而上流經(jīng)錐管時(shí),浮子的前后就產(chǎn)生差壓。浮子在差壓作用下產(chǎn)生上升或下降的位移。當(dāng)使浮子上升的差壓與浮子所受的重力、浮力及粘性力三者的合力相等時(shí),浮子便處于平衡狀態(tài),因此,浮子的位移與流量的大小存在唯一的對應(yīng)關(guān)系。檢測出浮子的位移大小就可以得到被測流體的流
當(dāng)浮子處于靜止位置時(shí),被測流體的體積流量可由下式計(jì)算:
式中:Q為體積流量;α為流出系數(shù); ?k為浮子最大直徑與其同高度錐管橫截面之間的環(huán)隙面積;g為重力加速度;v?為浮子的體積;ρ?為浮子的密度; ρ為被測流體的密度;A為浮子的最大截面積。
當(dāng)儀表的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,而且雷諾數(shù)大于界限雷諾數(shù)時(shí),a為常數(shù),則
由式(4)可知,流量與浮子的位移呈非線性關(guān)系,要得到線性刻度或輸出線性的電流信號,就必須設(shè)計(jì)非線性修正機(jī)構(gòu)進(jìn)行線性化。
目前,國內(nèi)外金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用的線性化技術(shù)主要有兩種:一是應(yīng)用四連桿進(jìn)行非線性修正;二是利用凸輪進(jìn)行非線性修正。下面著重介紹這兩種線性化技術(shù)。
1采用四連桿的線性化技術(shù)
采用四連桿進(jìn)行線性化的流量計(jì)工作原理如圖2所示。當(dāng)被測流體自下而上流過錐管1時(shí),浮子2就
產(chǎn)生位移,浮子的位移通過磁鋼4、5的禍合傳給平衡桿6。此時(shí),位移和流量的關(guān)系為非線性,必須通過連桿8、9、10進(jìn)行線性化才能使指針11有線性流量指標(biāo)。四連桿的工作原理如圖3所示。
由式(4)求導(dǎo)可得流量對浮子位移的變化率為
dQ/dh=α+2bh (5)
由式(5)可知,當(dāng)h增大時(shí),單位位移所代表的流量值也增大為了使流量指針的指示角Ψ與角度θ也呈線性關(guān)系,必須滿足dΨ/da也隨h的增大而增大,這就是對四連桿線性化能力的要求。
連桿8、9、10的長度分別為A、B、C,連桿8與平衡桿6固定在一起,指針與連桿10固定在一起。要求轉(zhuǎn)角Ψ的變化和流量Q的變化呈線性關(guān)系,這樣可用dΨ代替dQ,用da代替dh,代人公式(5)得
dΨ/dα=α+2bα （6）
為了滿足Ψ的變化和Q的變化呈線性關(guān)系,要求α增大時(shí)dΨ/dα也增大由圖3可見:
dΨ/dα=ASinθ/(CSin?) （7）
式(7)中,角α、θ、三者的變化方向是一致的,即隨角α增大, θ和也增大。因?yàn)锳、C為常數(shù),所以必須使α增大時(shí),Sinθs/in?也增大。為此,當(dāng)α增大時(shí), θ應(yīng)在0~90°范圍內(nèi)變化,則Sinθ增大;而?應(yīng)在90°~180°范圍內(nèi)變化,則Sin了減小。這樣就達(dá)到了當(dāng)α增大時(shí),dΨ/dα也增大,從而實(shí)現(xiàn)線性化的目的。
采用四連桿進(jìn)行線性化所用零件多,摩擦力大,工作過程中易脫落,而且調(diào)整也比較麻煩。近年來隨著計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)的推廣應(yīng)用,部分生產(chǎn)廠家的流量計(jì)開始采用凸輪進(jìn)行線性化。
2采用凸輪的線性化技術(shù)
采用凸輪進(jìn)行線性化的流量計(jì)工作原理如圖4所示。當(dāng)被測流體自下而上流過錐管1時(shí),浮子2就產(chǎn)生位移,浮子的位移通過磁鋼4、5的藕合傳給平衡桿6。經(jīng)過凸輪7的線性化和調(diào)整件8的傳動,將與流量呈線性關(guān)系的角位移傳遞給角位移轉(zhuǎn)換器9,角位移轉(zhuǎn)換器將角位移信號轉(zhuǎn)換成與流量線性對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出遠(yuǎn)傳。
由于每臺金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的錐管和浮子的加工誤差不可能一致,每臺流量計(jì)的流量值Q和浮子位移h的作線性關(guān)系也不可能一樣,所以在實(shí)際制造時(shí)流量計(jì)的凸輪都要逐臺校驗(yàn)加工,設(shè)Q與h的非線性回歸模型為幾何關(guān)系求出將p與h線性化所需的非線性修正曲線,以上求解過程都通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。將求出的非線性修正曲線通過計(jì)算機(jī)控制數(shù)控銑床加工成凸輪,如圖5所示,即可使輸出電流與流量呈線性關(guān)系。
采用凸輪進(jìn)行線性化,減少了零件數(shù)量和零件之間的傳動摩擦力,使流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡化,體積小型化,可靠性提高,使用時(shí)更加簡單、方便。借助CAM技術(shù),使流量計(jì)的校驗(yàn)時(shí)間大大縮短,提高了儀表制造廠的生產(chǎn)效率。采用該技術(shù)后,每臺流量計(jì)的出廠校驗(yàn)時(shí)間由原來的平均約40min縮短為25min,同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量,產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
3結(jié)束語
隨著機(jī)加工工藝和計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的發(fā)展,金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的線性化技術(shù)也出現(xiàn)了新的發(fā)展方向。目前,國外有的流量計(jì)直接將線性化曲線通過數(shù)控加工設(shè)備加工到浮子上,從而使浮子位移與流量呈線性關(guān)系另外,還出現(xiàn)了帶微處理器的全電子式的流量計(jì),采用霍爾傳感器檢測浮子位移,由微處理器通過軟件進(jìn)行線性化,從而使儀表結(jié)構(gòu)更簡化,精確度更高,功能更強(qiáng),工作更可靠。這些都代表了流量計(jì)線性化技術(shù)的發(fā)展趨勢。
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