渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)組成和作用
點(diǎn)擊次數(shù):2876 發(fā)布時(shí)間:2020-08-17 06:49:10
如前所述,渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)主要由儀表殼體、導(dǎo)流器、葉輪(渦輪)、軸承和信號(hào)檢測(cè)放大器等組成。
1)儀表殼體
儀表殼體一般采用不導(dǎo)磁的不銹鋼(如1Cr18Ni9Ti)或硬質(zhì)合金制成,對(duì)于大口徑傳感器亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)。殼體是傳感器的主體部件,它起到承受被測(cè)流體的壓力,固定安裝檢測(cè)部件,連接管道的作用,殼體內(nèi)裝有導(dǎo)流器、葉輪、軸、軸承,殼體外壁安裝有信號(hào)檢測(cè)放大器。
2)導(dǎo)流器
導(dǎo)流器通常也選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作,安裝在傳感器進(jìn)出口處,對(duì)流體起導(dǎo)向整流以及支承葉輪的作用,避免流體擾動(dòng)對(duì)葉輪的影響。
3)渦輪
亦稱葉輪,一般由高導(dǎo)磁性材料制成(如2Cr13或Cr17Ni2等),是傳感器的檢測(cè)部件。它的作用是把流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種、亦可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來(lái)增加有一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率。葉輪由支架中軸承支承,與殼體同軸,其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響,要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì),葉輪的動(dòng)態(tài)平衡很重要,直接影響儀表的性能和使用壽命。
葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)包括葉片傾角、葉片的頂端與外殼內(nèi)壁的間隙、葉片根徑和頂徑的流通截面、葉片重疊度以及葉片數(shù)量等設(shè)計(jì)。這些參數(shù)直接影響流量計(jì)的特性,選擇得合理就可以提高儀表的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度并延長(zhǎng)使用年限。根據(jù)大量試驗(yàn)及理論分析,比較合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)為
葉片傾角θ:10°~15°(對(duì)氣體);30°~45°(對(duì)液體)(見圖6-10)。
葉片重疊度P:0.9~1.2(P表示軸線長(zhǎng)度上兩相鄰葉片相互重疊的程度)。
葉片頂隙δ:當(dāng)D≤10mm時(shí),δ=0.05~0.07D;當(dāng)10mm〈D≤80mm時(shí),δ=0.01~0.015D;當(dāng)D〉80mm時(shí),δ=0.01D。
葉片數(shù)N:可以按照對(duì)輸出信號(hào)的頻率要求以及加工制造的可能性來(lái)考慮。根據(jù)流量計(jì)口徑大小不同而異,小口徑(D≤100mm)為3~8片。大口徑(D〉100mm)一般為10片以上。
4)軸與軸承
通常選用不銹鋼(如2Cr13,4Cr13,Cr17Ni2或1Cr18Ni9Ti等)或硬質(zhì)合金制作,它們組成一對(duì)運(yùn)動(dòng)副,支承和保證葉輪自由旋轉(zhuǎn)。它需有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性,耐腐性等。它決定著傳感器的可靠性和使用壽命。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的,因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是重要問(wèn)題。
在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮軸向推力的平衡,流體作用于葉輪上的力使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)也給葉輪一個(gè)軸向力,使軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大。為了抵消這一軸向力,在結(jié)構(gòu)上采取各種軸向推力平衡措施。另外,軸承磨損要?。贿@是提高測(cè)量精準(zhǔn)度、延長(zhǎng)儀表壽命的重要環(huán)節(jié)。滾動(dòng)軸承雖然摩擦力矩很小,但對(duì)臟污流體及腐蝕性流體的適應(yīng)性較差,壽命不長(zhǎng)。因此,目前仍廣泛應(yīng)用滑動(dòng)軸承(空心套形軸承)?;瑒?dòng)軸承的軸與軸承間的摩擦轉(zhuǎn)矩與葉輪的重量及軸的直徑成正比,因此在機(jī)械強(qiáng)度允許的情況下,應(yīng)盡可能把軸做細(xì),使葉輪的重量減輕。合理選擇軸與軸承的材質(zhì)及兩者的配合間隙也是很重要的,目前常采用的材料是耐磨性好的碳化鎢硬質(zhì)合金或石墨。為減小石墨軸承的磨損,常常在軸表面鍍以硬鉻并進(jìn)行精磨。為了徹底解決軸承磨損問(wèn)題,我國(guó)目前生產(chǎn)無(wú)軸承的渦輪流量變送器。
5)信號(hào)檢測(cè)放大器
國(guó)內(nèi)常用信號(hào)檢測(cè)放大器一般采用變磁阻式,它由永久磁鋼、導(dǎo)磁棒(鐵心)、線圈等組成。它的作用是把渦輪的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)輸出。由于永久磁鋼對(duì)高導(dǎo)磁材料制成的葉片有吸引力而產(chǎn)生磁阻力矩,對(duì)于小口徑傳感器在小流量時(shí),磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項(xiàng),為此將永久磁鋼分為大小兩種規(guī)格,小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。一般,線圈感應(yīng)得到的信號(hào)較小,需配上前置放大器放大、整形輸出幅值較大的電脈沖信號(hào),當(dāng)線圈輸出信號(hào)有效值在10mV以上的也可直接配用流量計(jì)算機(jī)。
圖6-2為常用的兩種前置放大器電氣原理圖,圖a采用穩(wěn)流二*管作負(fù)載,采用復(fù)合管射*輸出形式;圖b采用負(fù)反饋電路以提高儀表的穩(wěn)定性,它們都具有溫度穩(wěn)定性好,放大系數(shù)高,負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
2、典型的渦輪流量傳感器
渦輪流量計(jì)根據(jù)不同的傳感器結(jié)構(gòu)類型,就有不同形式的渦輪流量傳感器,介紹如下。
(1)止推式渦輪流量傳感器
這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖示于圖6-3。圖a與圖b為軸尖止推類,采用平面或球面點(diǎn)接觸,接觸點(diǎn)與傳感器軸線重合,接觸點(diǎn)有較高的硬度和光潔度;圖c為端面而接觸止推型,端面小且硬度和光潔度高。止推型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,適用于小口徑(DN≤15mm)傳感器。
(2)反推式渦輪流量傳感器
反推式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6-4所示。圖a中,在輸入端面A處壓力降低,產(chǎn)生反推力;圖b系流體經(jīng)前面孔引入產(chǎn)生反推力;圖c表示流體由后反向推。反推式結(jié)構(gòu)在一定流量范圍內(nèi)可使葉輪處于浮游狀態(tài),軸向不存在接觸點(diǎn),無(wú)端面摩擦和磨損,可延長(zhǎng)使用期限。
(3)切向式渦輪流量傳感器
圖6-5所示為用于微流量測(cè)量的渦輪流量傳感器,流體從葉輪的切向流過(guò),沖擊其葉片旋轉(zhuǎn)。由于被測(cè)流量較小,為加大流體對(duì)葉輪的沖力,入口處裝有噴嘴,可以更換噴嘴孔徑以調(diào)節(jié)流量范圍。葉輪的轉(zhuǎn)速采用光電法檢測(cè),以避免如磁阻法產(chǎn)生磁阻力矩。葉輪軸與管道軸心垂直,流體流向葉片沖角約為90°,適合于小口徑微流量產(chǎn)品。
另一類切向渦輪流量傳感器做成插入式結(jié)構(gòu),適用于大管徑流量測(cè)量(間插入式渦輪流量計(jì))。
(4)無(wú)軸承渦輪流量傳感器
為了徹底解決渦輪流量計(jì)軸承磨損問(wèn)題,可以采用流體軸承,或稱無(wú)軸承浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)的渦輪流量計(jì),其結(jié)構(gòu)如圖6-6所示。它用高壓流體來(lái)代替金屬或非金屬軸承,使渦輪處于浮動(dòng)狀態(tài),以減小摩擦。在圖6-6a中,一部分流體流經(jīng)懸臂支承中間的開孔,進(jìn)入支承的內(nèi)腔,而內(nèi)腔與外面的通流縫隙很小,流體動(dòng)能大部分變成壓力能,使內(nèi)腔壓力高于外部流動(dòng)流體的壓力。這樣,造成內(nèi)外腔之間的壓力差,該壓差將渦輪沿軸向均勻托起。使渦輪處于浮游工作狀態(tài)。在圖6-6b中,渦輪流量傳感器內(nèi)裝有由一根軸和對(duì)稱地裝在軸兩端的兩個(gè)渦輪及兩塊浮游板組成的轉(zhuǎn)子,在有流體通過(guò)流量傳感器時(shí),浮游板在差壓的作用下使浮游轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然無(wú)軸承解決了軸承磨損問(wèn)題,但流體的不潔凈會(huì)使浮游失去作用,故對(duì)流體清潔度要求較高,影響了其推廣使用。
(5)廣粘度型渦輪流量傳感器
這種渦輪流量傳感器采用了粘度補(bǔ)償機(jī)構(gòu),使渦輪流量傳感器在高粘度下(一般其運(yùn)動(dòng)粘度為15~30mm2/s)仍能保持其線性區(qū)域和范圍度。葉輪一般為平板葉片,軸承用套筒軸承,粘度補(bǔ)償可用補(bǔ)償葉輪,也可用補(bǔ)償圓筒,如圖6-7所示的結(jié)構(gòu)為圓筒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的廣粘度型渦輪流量傳感器。進(jìn)入渦輪流量計(jì)的大部分流體經(jīng)前導(dǎo)向裝置流向渦輪,一小部分流體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后流入前導(dǎo)向裝置內(nèi)腔,從隨渦輪一起旋轉(zhuǎn)的補(bǔ)償圓筒外流過(guò),再流經(jīng)渦輪。當(dāng)流體粘度增加時(shí),如無(wú)粘度補(bǔ)償裝置,則渦輪轉(zhuǎn)速將增高,當(dāng)有次補(bǔ)償裝置后,流體粘度增高,使補(bǔ)償圓筒表面受到的摩擦力矩增加而使渦輪轉(zhuǎn)速保持不變(即保持渦輪儀表系數(shù)K不變),從而達(dá)到粘度補(bǔ)償?shù)哪康摹?br />
圖6-8所示為有粘度補(bǔ)償和無(wú)粘度補(bǔ)償時(shí)的渦輪儀表系數(shù)K的變化情況,在流量不變時(shí),雷諾數(shù)Re=f(1/η),即與流體粘度成反比,Re減小表面流體粘度增大,曲線1和2分別為無(wú)粘度補(bǔ)償時(shí)和有粘度補(bǔ)償時(shí)的儀表系數(shù)曲線。由圖可見,粘度補(bǔ)償后,其測(cè)量精度和范圍度都有了明顯地提高。一般,采取以上措施可以使傳感器在高粘度下(15~30mm2/s)仍能保持其線性區(qū)域和范圍度,用于重油測(cè)量范圍度為7:1,精度可達(dá)±0.2%。
(6)插入式渦輪流量傳感器
這種渦輪流量傳感器主要用于測(cè)量大型管道的流量,方法是用小的渦輪流量測(cè)量頭插到管道的平均流速點(diǎn)或*大流速點(diǎn),測(cè)出局部小面積的流量推算出通過(guò)管道的整體流量。其典型的結(jié)構(gòu)如圖6-9所示。它可在不斷流的情況下插入或取出測(cè)量頭,進(jìn)行維護(hù)或檢修。插入頭可做成軸向渦輪和切向渦輪兩種。
(7)其他結(jié)構(gòu)的渦輪流量傳感器有氣體渦輪流量傳感器
氣體渦輪流量計(jì)用來(lái)測(cè)量天然氣(如天然氣渦輪流量計(jì))、化工氣體、蒸汽及壓縮空氣等管流流量和定流量控制。由于氣體密度小,流體推動(dòng)的力矩小,氣體傳感器與液體在結(jié)構(gòu)參數(shù)上有顯著差別,要加大輪殼半徑,縮小流道截面積,使氣流流速加大且集中經(jīng)過(guò)葉片邊緣。氣體渦輪流量傳感器對(duì)氣體清潔度要求較高,氣體溫度、壓力和密度的影響較大,使用中應(yīng)注意這些特點(diǎn)。
(8)自校正渦輪流量傳感器
自校正渦輪流量傳感器是一種能自動(dòng)校正測(cè)量精確度的渦輪流量傳感器。這種傳感器由主、輔雙渦輪組成,可由二渦輪轉(zhuǎn)速差自校正流量特性的變化。傳感器殼體內(nèi)裝有兩個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的葉輪,入口處的為主渦輪,其下游的稱為輔渦輪,兩渦輪葉片均為螺旋狀,但輔渦輪的螺旋角較小,它起到感受主渦輪出口流體因流速分布畸變,運(yùn)動(dòng)件磨損結(jié)垢等形成阻力矩變化和流體物性(密度、粘度)變化的影響。它可以保證使用條件與校驗(yàn)條件不同時(shí)把儀表系數(shù)校正到校驗(yàn)時(shí)的精度。
(9)雙向渦輪流量傳感器
雙向渦輪流量傳感器具有測(cè)量雙流向液體流量的功能,是實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)等各種閉環(huán)系統(tǒng)流量檢測(cè)、電液比較控制和自動(dòng)控制的理想傳感器。其工作原理和單向渦輪傳感器基本相同,為了實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)量,它采用了兩導(dǎo)向架及葉輪幾何形狀完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。
(10)一體型渦輪流量傳感器
葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)直接或經(jīng)磁耦合帶動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)智能顯示模塊,指示積算總量,其傳感器與顯示儀組成一體,方便使用。