金属管转子流量计由于它的流通面积是随着流量的大小而改变的,故又被称为变面积流量计。作为转子式流量计,它不仅有效地扩大了原来玻璃转子流量计的测量范围,而且提高了对使用环境的适应性,还可测量多种介质(包括一些高粘度和腐蚀性介质)的流量,特别适宜测量中、小管径、较低雷诺数的中、小流量,刻度近似线性(最大刻度非线性程度约为20%一25%,通过指示器中的凸轮板进行修正),量程比为1;10,甚至可以更宽,压为损失较小且恒定,精确度在土2.5%左右,使用维护简便,对仪表前的直管段要求不高,特别是当采用了变电容式角位移转换器,还能进行远距离信号传输和实现自动控制。凭借其自身的这些有利的特点,近几年来,它在国内流量测量领域里正异军突起,开始广泛应用于国防、化工、石油、冶金、医药和轻工等工业部门的液体、气体流量测量和自动控制系统。
金属管转子流量计的结构如图1所示,传感器中浮子位置的变化反映了流量的大小,当被测量发生变化,仪表的指示标尺(运动部件)将由原来的平衡位置移动到新的平衡位置,但是指示标尺由户质性的作用,它不能立刻停止在新的平衡位置,而在此位置附近往复振荡。特别是当该仪表被用于测量气体流量时,在管路系统中有时出现流体的脉动现象,使得传感器中浮子出现往复的机械振动,通过磁祸合,这种有害的振动将被传递给指示器中的指示标尺,严重地影响仪表的准确读数。对于具有电远传性能的仪表,还将引起输出信号的不平稳,并使与之配套的记录仪表的记录严重失真。因而,要克服这种流体脉动效应引起的机械振动现象,笔者在其指示器内设置阻尼装置,以提高其读数精度。
以下就空气阻尼装置、液体阻尼装置和磁感应阻尼装置的性能特性进行分析比较。
图2反映了各类阻尼的粘度一温度特性曲线,从图可以得到这样的结论:由于空气粘度很少受温度波动影响,空气阻尼的温度稳定性比相应的液体阻尼要好,空气阻尼值随温度变化最小,而且它与液体和磁感应阻尼相反,空气阻尼随温度增高而增大,但是由于它的尺寸大而笨重,所以很少采用。液体阻尼虽然在非常小的空间内几乎能够得到无限大的阻尼,但是它的温度稳定性比相应的空气、磁感应阻尼要差,它的阻尼值随温度变化大。而磁感应阻尼的温度稳定性与空气阻尼相近,它的阻尼值随温度变化很小,而且磁感应阻尼是一种最能预测估算的阻尼型式。在任何给定环境温度的条件下,根据磁感应阻尼装置的设计参数能以足够的精度计算出它的一个重要性能指标:阻尼力矩。磁感应阻尼装置产生的阻尼力矩严格地与运动物体速度的一次方成正比,不会影响仪表的静态精确度,在结构上也容易实现。
值得指出的是,磁感应阻尼装置的工作原理实质上是电磁学理论中所阐述的一种涡流的机械效应。
如果涡流载体用铜(非铁磁性的良导体材料)制造,刀令么该种磁感应阻尼装置的阻尼力矩随温度每升高1℃而大约降低0.4%(忽略大约要低一个量级的磁路的温度系数影响)。由此可见,磁感应阻尼的这些特点是其它类型阻尼装置所无法比拟的。因此,我们采用磁感应阻尼装置是十分合适的。
对于具体的阻尼装置,阻尼时间是个重要的参数。阻尼时间是指当仪表转动部分部件(包括指示标尺在内)从开始运动到在平衡位置附近振动,其振幅不超过给定值△a而可进行读数的时间。
关于磁感应阻尼装置设计计算,这里列举具有永久磁钢和非铁磁性的良导体材料扇形铜板的磁感应阻尼装置(见图3)进行介绍。
当设定已知允许阻尼时间(t2)动和允许振动幅△a时,则计算设计的步骤如下:
式中ao一仪表转动部分稳定后的角度
利用图4可求最佳阻尼因数月。p,或利用图5曲线来确定(ωot) tmin和相应的b值(ωo为无阻尼时系统固有振动的角频率)
(2)按选定的扇形磁感应阻尼装置的结构条件,初选主要尺寸(参见图3所标的各有关尺寸)。
(3)按选定运动系统的结构尺寸和参数计算ωot,并可用公式:
ω0≥(ωot)min/tz
进行校验。显然,增大ω0,可使tz减小。
(4)计算扇形磁感应阻尼装置的阻尼系数C:
式中
h—扇形感应片厚度,Cm
b—磁钢截面长度,cm
d—磁钢截面宽度,Cm
B—磁感应强度,TR
R—扇形半径,cm
ρ—扇形感应片材料的电阻率,Ωmm2/m
X—磁钢到扇形感应片边缘的径向距离,em
L—系数,由图6查出
K—系数,由图7(图7中符号ι=b+2x为查出后,按下式计算:
K=2(Kl一K2十K3一……)
式中系数Kl、K2、K3、…分别按ι1=b十2X、ι2=2x(b十2X)、ι3=3(b+2X)…由图7查出。实用证明,只需计算Kl和K2两个系数即可,其计算误差不超过10%.
(5)由公式b= 1132-9求出所设计的阻尼装置的阻尼因数b值的实际值(I为运动部件的转动惯量)。
(6)由计算法确定阻尼时间ι2
式中a—仪表转动部分的偏转角
da/dt—仪表转动部分的角速度这里忽略了杂散磁场和磁场的非均匀性,所以实际得到的阻尼力矩通常略高于计算得到的阻尼力矩。
至此,可以看到合理地运用阻尼装置,能较容易、较成功地克服由于流体流动的脉动而干扰、影响金属管转子流量计在进行流量测量时的振荡现象,提高了测量的准确度。
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