金屬管轉子流量計由于它的流通面積是隨著流量的大小而改變的,故又被稱為變面積流量計。作為轉子式流量計,它不僅有效地擴大了原來玻璃轉子流量計的測量范圍,而且提高了對使用環境的適應性,還可測量多種介質(包括一些高粘度和腐蝕性介質)的流量,特別適宜測量中、小管徑、較低雷諾數的中、小流量,刻度近似線性(最大刻度非線性程度約為20%一25%,通過指示器中的凸輪板進行修正),量程比為1;10,甚至可以更寬,壓為損失較小且恒定,精確度在土2.5%左右,使用維護簡便,對儀表前的直管段要求不高,特別是當采用了變電容式角位移轉換器,還能進行遠距離信號傳輸和實現自動控制。憑借其自身的這些有利的特點,近幾年來,它在國內流量測量領域里正異軍突起,開始廣泛應用于國防、化工、石油、冶金、醫藥和輕工等工業部門的液體、氣體流量測量和自動控制系統。
金屬管轉子流量計的結構如圖1所示,傳感器中浮子位置的變化反映了流量的大小,當被測量發生變化,儀表的指示標尺(運動部件)將由原來的平衡位置移動到新的平衡位置,但是指示標尺由戶質性的作用,它不能立刻停止在新的平衡位置,而在此位置附近往復振蕩。特別是當該儀表被用于測量氣體流量時,在管路系統中有時出現流體的脈動現象,使得傳感器中浮子出現往復的機械振動,通過磁禍合,這種有害的振動將被傳遞給指示器中的指示標尺,嚴重地影響儀表的準確讀數。對于具有電遠傳性能的儀表,還將引起輸出信號的不平穩,并使與之配套的記錄儀表的記錄嚴重失真。因而,要克服這種流體脈動效應引起的機械振動現象,筆者在其指示器內設置阻尼裝置,以提高其讀數精度。
以下就空氣阻尼裝置、液體阻尼裝置和磁感應阻尼裝置的性能特性進行分析比較。
圖2反映了各類阻尼的粘度一溫度特性曲線,從圖可以得到這樣的結論:由于空氣粘度很少受溫度波動影響,空氣阻尼的溫度穩定性比相應的液體阻尼要好,空氣阻尼值隨溫度變化最小,而且它與液體和磁感應阻尼相反,空氣阻尼隨溫度增高而增大,但是由于它的尺寸大而笨重,所以很少采用。液體阻尼雖然在非常小的空間內幾乎能夠得到無限大的阻尼,但是它的溫度穩定性比相應的空氣、磁感應阻尼要差,它的阻尼值隨溫度變化大。而磁感應阻尼的溫度穩定性與空氣阻尼相近,它的阻尼值隨溫度變化很小,而且磁感應阻尼是一種最能預測估算的阻尼型式。在任何給定環境溫度的條件下,根據磁感應阻尼裝置的設計參數能以足夠的精度計算出它的一個重要性能指標:阻尼力矩。磁感應阻尼裝置產生的阻尼力矩嚴格地與運動物體速度的一次方成正比,不會影響儀表的靜態精確度,在結構上也容易實現。
值得指出的是,磁感應阻尼裝置的工作原理實質上是電磁學理論中所闡述的一種渦流的機械效應。
如果渦流載體用銅(非鐵磁性的良導體材料)制造,刀令么該種磁感應阻尼裝置的阻尼力矩隨溫度每升高1℃而大約降低0.4%(忽略大約要低一個量級的磁路的溫度系數影響)。由此可見,磁感應阻尼的這些特點是其它類型阻尼裝置所無法比擬的。因此,我們采用磁感應阻尼裝置是十分合適的。
對于具體的阻尼裝置,阻尼時間是個重要的參數。阻尼時間是指當儀表轉動部分部件(包括指示標尺在內)從開始運動到在平衡位置附近振動,其振幅不超過給定值△a而可進行讀數的時間。
關于磁感應阻尼裝置設計計算,這里列舉具有永久磁鋼和非鐵磁性的良導體材料扇形銅板的磁感應阻尼裝置(見圖3)進行介紹。
當設定已知允許阻尼時間(t2)動和允許振動幅△a時,則計算設計的步驟如下:
式中ao一儀表轉動部分穩定后的角度
利用圖4可求最佳阻尼因數月。p,或利用圖5曲線來確定(ωot) tmin和相應的b值(ωo為無阻尼時系統固有振動的角頻率)
(2)按選定的扇形磁感應阻尼裝置的結構條件,初選主要尺寸(參見圖3所標的各有關尺寸)。
(3)按選定運動系統的結構尺寸和參數計算ωot,并可用公式:
ω0≥(ωot)min/tz
進行校驗。顯然,增大ω0,可使tz減小。
(4)計算扇形磁感應阻尼裝置的阻尼系數C:
式中
h—扇形感應片厚度,Cm
b—磁鋼截面長度,cm
d—磁鋼截面寬度,Cm
B—磁感應強度,TR
R—扇形半徑,cm
ρ—扇形感應片材料的電阻率,Ωmm2/m
X—磁鋼到扇形感應片邊緣的徑向距離,em
L—系數,由圖6查出
K—系數,由圖7(圖7中符號ι=b+2x為查出后,按下式計算:
K=2(Kl一K2十K3一……)
式中系數Kl、K2、K3、…分別按ι1=b十2X、ι2=2x(b十2X)、ι3=3(b+2X)…由圖7查出。實用證明,只需計算Kl和K2兩個系數即可,其計算誤差不超過10%.
(5)由公式b= 1132-9求出所設計的阻尼裝置的阻尼因數b值的實際值(I為運動部件的轉動慣量)。
(6)由計算法確定阻尼時間ι2
式中a—儀表轉動部分的偏轉角
da/dt—儀表轉動部分的角速度這里忽略了雜散磁場和磁場的非均勻性,所以實際得到的阻尼力矩通常略高于計算得到的阻尼力矩。
至此,可以看到合理地運用阻尼裝置,能較容易、較成功地克服由于流體流動的脈動而干擾、影響金屬管轉子流量計在進行流量測量時的振蕩現象,提高了測量的準確度。
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