一种悬浮陀螺式质量流量计的研究

1. 引 言

随着工业水平的不断提高，人们对流量计量的要求也越来越高，目前发展的趋势是单纯的体积流量测量已不能满足工业要求，而质量流量测量作为一种更加稳定的，更符合生产和贸易输送需求的计量方法得到了广大用户的青睐。

我们所研究的新型悬浮陀螺式质量流量计利用双通道法实现质量流量测量，具有结构简单，适用于脏污流及两相流的测量，抗震性好，传感器无须外部供电，使用寿命长等特点。下面首先介绍悬浮陀螺流量计的结构与工作原理。

2. 悬浮陀螺质量流量计的结构

悬浮陀螺流量传感器的壳体主要由收缩段、喉段、渐扩段、腹段和尾段组成，如图1所示。壳体内部封有一个带中心通孔的小球，小球的里面与通孔垂直的方向上装有磁环。入口和尾部的收缩段与中部的渐扩段使得传感器的前后产生一定的压差，可以用差压传感器测取这个差压值。

当流体从入口流进壳体时，小球会悬浮起来，稳定在某势阱位置。当流量达到一定值时，小球会绕某个固定的轴旋转起来，并随着流量的增大而加快，小球的转速和流量基本呈线性关系。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，产生电压脉冲信号。该脉冲信号的频率完全可以反映球的旋转频率，此频率也正比于流体的体积流量。小球的旋转频率与流体体积流量的关系可写成如下表达式：

f=K2qv （1）

式中 f-----小球的旋转频率（可通过频率计检测出来），Hz；

K2-----传感器的体积流量系数。
入口和尾部的收缩段与中部的渐扩段产生的压差信号，通过差压传感器检出，这路信号可表示为：

式中 qv----被测流体体积流量，m3/s；
p1---传感器前的压力，pa;
p2---传感器后的压力，pa;
ρ----工作状况下被测流体的密度，kg/m3；
k1---传感器的差压流量系数。

上式可改写成：

（2）

式中 △p——传感器前、后压差，即（p1- p2）；


将式（1）、（2）的两边分别相除，得

（3）

式中 qm—被测流体的质量流量，

K—传感器的质量流量系数。

式（3）是基于双通道信号检测原理的新型质量流量计的流量方程式。从该方程式可以看出，此新型流量计和传统的流量仪表不同，当被测流体流经传感器时会同时产生两个信号，而且这两个信号都和流量有内在的物理联系，通过灵活应用，便得到了上面所示的质量流量测量结果。


3. 理论分析

悬浮陀螺流量计工作的物理基础是流体动力学悬浮效应和动量矩原理。前者可以保证小球稳定悬浮，后者将流体动能转化为机械能，再转换为电能进行流量测量。

流体动力学悬浮效应是指在一定流体动力学条件下，位于有限管道中的流体中的旋转体不与管壁接触，也不会被流体冲走而是固定某一位置，处于动态平衡状态。因为特殊的压力分布，小球能稳定悬浮于流体中某一点（悬浮点）。 在悬浮点满足以下两个条件（假设F是由悬浮点出发的向量，在悬浮点处r=0）：

式中——流体作用于悬浮体上各个方向的力；
Fr—任一方向上的作用力；
Kr— r方向上流体动力悬浮的刚度系数。

将小球所受的空间力分解为三方向的力：X向（轴向）、y向（径向）、z向（横向），由于球在z向上受的力总相等（因为球和管道相对于管道轴线是对称的），所以对球在z向上受力不做分析，只对球在轴向、y向上受力情况进行分析。 [page]

球在x向上的受力有：在球的迎流面的喷射流的动压头和静压头所形成的力Fp，粘性摩擦力形成的力Fn，球尾部的静压力所形成的力Fw。

流体环绕悬浮体是连续的，当喷射流环绕球的前半部分时会形成环流区，环流区的长度由球的迎流面所限制。当连续环流饶过球时，会产生与液流方向相反的力，这是由于在球的尾部静压力恢复的结果。因此可以认为前面所述的两个力Fp及Fw对球的作用力之和与液流方向相反。小球悬浮时合力为零，即达到稳定状态。

小球在y向上所受的力有重力Fg，浮力Ff，升力Fs。其中重力Fg方向垂直向下，浮力Ff 及升力Fs方向向上。当流体绕流球时，由于喷射流与球相互作用而产生上升力Fs。球在y向上悬浮的条件是这些力的合力为零。

小球的旋转机理可以定性地归因于球体周围不均匀的速度分布。当流体沿球表面绕流时，在球的通孔两端口处将产生很大的冲击力，由于速度分布不均匀，导致这两端的速度梯度不一样，在两端产生的切向力不相等，且作用力方向恰好相反，从而产生不平衡力矩。随着小球的摇摆角度的增加，该不平衡力矩也增大，当力矩大到足以克服小球的转动惯量时，小球就旋转起来了。

4. 器件的选取

整个悬浮陀螺质量流量计是由流量传感器、A/D转换器、微控制器、程序和参数存储器、D/A转换器、LCD液晶显示和通讯模块组成。结构概图如图2所示。A/D转换芯片选用的是AD7715；微处理器选用的是PIC16C73；E2PROM选用的是93LC86；D/A转换芯片选用的是AD421；HART MO-DEM使用的是Symbios Logic公司的20C15（该芯片可用于实现HART协议物理层的要求）。在此只列出所选用的相应器件，具体的应用情况略。

软件设计主要可分为两大部分：测控软件和通讯软件。测控软件包括：A/D采样程序、非线性补偿程序、计算、D/A输出程序等。HART通讯软件实质是HART协议的数据链路层和应用层的软件实现。通讯程序采用串行口中断方式进行数据的接收和发送。

进行完理论上的研究之后，我们又在实验管线上进行了一系列的实验。由于温度、压力的变化比较小，可以暂时不考虑被测流体密度的变化，则ρ=const，定性地分析仪表的参数K。由式（3）得公式

5. 实验数据分析

进行完理论上的研究之后，我们又在实验管线上进行了一系列的实验。由于温度、压力的变化比较小，可以暂时不考虑被测流体密度的变化，则ρ=const，定性地分析仪表的参数K。由式（3）得

由上式可以看出，通过检测压差信号和体积流量就可以观察并验证上面所讨论的测量原理是否可行。表1列出了实验过程中的一组数据。

表1 质量流量测量定性实验数据

经过计算可得K0=0.0199，由上面的表格可以看出，在整个量程范围内，除了下限和上限附近，系数K0（并不是真正的仪表系数）基本保持不变。或者说变化很小。由于实验条件所限，在小流量和大流量的区域处数据失真，影响了实验的效果，但作为定性实验仍能验证我们的设计构想。总之，在进行理论分析和实验验证之后，可以肯定利用双通道法进行质量流量的测量是完全可行的。

6. 结 论

质量流量测量是今后流量测量领域的一个不可逆转的发展趋势，悬浮陀螺质量流量计是一种结合了新颖独特的运行机理而开发出来的一种利用双通道法实现质量流量测量的新型流量计。具有结构简单、原理独特、寿命长、维护简便、计量特性优异等突出的优点，同时解决了脏污流、两相流等流量测量问题。

相对于传统的组合式质量流量计，它结构简单，信号完全从一个传感器上取出，处理起来更直接更方便；相对于直接式质量流量计，它的价格低很多，具有较高的性能价格比。这种新颖的质量流量计的研究开发符合工业生产的实际需要，特别是在石油计量和能源节约方面必将具有很好的发展前景。 (end)