悬浮陀螺流量传感器的产生背景
目前,流量计虽各具特色,但在实际使用中存在的问题也很多,例如:对脏污流、混相流等特殊工作状况下流体的测量问题还没有得到解决,因此希望能有一种流量计不仅能满足这样的T业生产环境与流体的要求,还能解决狭窄通道的问题,满足结构简单、性能稳定的要求。悬浮陀螺质量流量计的研究在一定程度上解决了以上提出的问题。其传感器的壳体主要由带渐扩段的直通管道和转子小球组成,无机槭磨损部件。转子小球与传感器的壳体之间无狭窄通道,特别适用于脏污流、含固体微粒较多的液一固两相流、浆液等流量的测量。小球的直径基本不超过壳体通径的12,因此无须用微米甚至毫米来衡量转子小球上带有直径为几毫米的通孔,当有杂质粘附在小球表面和通孔内时,由于它的高速旋转,能有效地将它们去除,也就是说具有自清洗的功能。流量计对被测介质无特殊的要求,粘度不过分大的介质均可测量上游一般不需要安装过滤器。在传感器的测量范围内,能保证很高的测量精度(液体可达0.5%,气体可达1%)、重复性和稳定性,而且量程比宽(液体25:1,气体12:1)。由于结构简单,去除了轴承和狭窄通道,使得该传感器在理论上有无限长的使用寿命,用于液体的悬浮陀螺式流量计在俄罗斯的核电站已经无故障地稳定运行了10余年。同时其工作原理决定了它是一种自发电式传感器,无须外部供电即可工作能在各种场合安全运行可用于核电站中热水流量的测量,油田含油污水的流量测量、总量计量与控制等场合
传感器的结构和基本工作原理
1、传感器的结构
图中:1—壳体;2一线圈;3一陀螺;4—挡杆;5—磁环。
悬浮陀螺流量传感器的壳体主要由收缩段、喉段、渐扩段、腹段和尾段几部分组成,如图所示。在壳体的内部封有一个带中心通孔的小球,而且在小球的内部与通孔垂直的方向上装有磁环。当流体从喷嘴入口流进壳体时,最初小球会悬浮起来,并且稳定在某势阱位置。当流体出现波动或者受到外界干扰时,小球会发生偏离,但根据伯努利方程可知,总会有准弹性力使它恢复到原势阱位置。当流量达到一定值时,小球会沿某方向摆动。随着摆动幅度的增大,小球最终会绕某个固定的轴旋转起来,并随着流量的增大而加快,而且基本呈线性关系。在传感器的外部有感应线圈,根据法拉第电磁感应定律,小球的旋转使得导线切割磁力线,从而产生电压脉冲信号。该脉冲信号的频率全可以反应球的旋转频率,此频率也正比于体积流量,因此通过检测脉冲频率就可以获得相应的体积流量值。
2、工作原理
悬浮陀螺流量传感器之所以能测量体积流量主要是基于流体动力学的悬浮效应。所谓悬浮效应就是指在一定的流体动力学条件下,位于有限管道内的液体中的旋转体不与管壁接触,也不会被流体冲走,而是严格地处在某一固定位置上,处于一种动平衡的状态。为了出现悬浮效应,必须在有限的空间内存在紊流即喷射流。因此,管道必须有突然扩张部分。小球的悬浮位置不依赖于流体的流速,也不依赖于管道的空间位置,而只取决于管道和球之间的相互几何关系。转子球上的中心通孔是传感器得以工作的前提,因此也是该传感器的核心部分。为了更清楚地了解它的运行机理,首先讨论小球处于静态时的受力情况。
1.轴向受力分析
轴向上作用于球上的力有:迎流面的喷射流的动压头与静压头形成的力F,粘性摩擦力形成的力F,球尾部的静压形成的力F。对应于小球的稳定状态合力为零,即ΣF=0。当小球偏离轴向平衡点时,会产生不断增长的力使其回到原来的平衡位置,而该力是由小球前后压力的重新分布来决定的。
当流体从喷嘴出口形成喷射流时,对于悬浮小球会产生连续绕流并在球的前半部分形成环流区。在球的表面与环流区边界之间出现较大的流速,所以此处的静压较小。所以也可以说,有一个射流对球的前端面产生抽吸作用。同时,流体对球进行连续绕流时会产生与流动方向相反的力,并随着球尾部静压力的逐渐恢复而增大
2.径向受力分析
对悬浮球的径向作用力有:重力F8、浮力F、上升力F1。球在径向上的稳定悬浮应满足上述合力为零,即ΣF=0。实际上,当球处于悬浮状态时,发生的是轴对称绕流,而且这时的压力分布相对于流通通道的中心线也是对称的。当球由悬浮位置偏向管壁时,则流体的对称性遭到破坏。而与此同时,对球的绕流的连续性继续保持。但是由于此时的绕流已不均匀,会使得流体从喷射口出来之后绕球的大部分表面一侧流过。因此,此处的流速较高,而静压偏低。在靠近管壁的一侧,球表面的流速相对较低而静压较高。这种压力的不平衡就形成了一个上升力,使得球向管道轴线偏移,从而使球回复到原来稳定位置。通过上面的分析,可以得出这样的结论:若把内置悬浮球的突然扩张管看作一个负反馈系统,那么流体在任意方向上的突然脉动变化所引
起的小球偏离,都会产生一个“准弹性力”使其回到最初的平衡位置。这样就充分地保证了小球悬浮的稳定性。