渦輪流量計(jì)具有***度高(可達(dá)±0.25%)、范圍寬度(10:1)、慣性小(毫秒級)、耐壓高(可達(dá)0MPa)、輸出信號為頻率信號、容易實(shí)現(xiàn)流量積算和定量控制、信號傳輸距離大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但是,由于渦輪流量計(jì)在工作時(shí)渦輪的轉(zhuǎn)速很高,軸承又不能潤滑,所以軸承的磨損很快軸承的壽命很短。這是渦輪流量計(jì)的致命弱點(diǎn)它限制了渦輪流量計(jì)的廣泛使用。為了解決這個(gè)問題,我們采用磁浮軸承代替滾珠軸承,改旋轉(zhuǎn)葉輪形式為旋轉(zhuǎn)葉輪圈形式,使葉輪圈懸浮在流量計(jì)的內(nèi)徑中,由于葉輪圖旋轉(zhuǎn)時(shí)與其它部位無接觸,所以不存在摩擦損耗磁浮型渦輪流量計(jì)的使用壽命基本上取決于驅(qū)動(dòng)電磁線圈的半導(dǎo)體功率

模塊。半導(dǎo)體功率模塊的正常使用壽命大于10000小時(shí),并且半導(dǎo)體功率模塊作為流量計(jì)的個(gè)外部部件,拆卸掉換都很方便。只要定期更換外部的半導(dǎo)體功率模塊,渦輪流量計(jì)就能長期工作。

一、結(jié)構(gòu)和原理

磁浮型渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖的正中間是葉輪圈,它在上下左右四個(gè)電磁線圈的作用下懸浮在流量計(jì)的內(nèi)徑中間。推磁軸承的作用是保證葉輪圈能承受被測流體的推力。實(shí)際的磁浮型流量計(jì)的電磁線圈不止四個(gè),為了簡明起見只畫了四個(gè)電磁線圈。根據(jù)間隙傳感器的檢測信號,位于功率模塊中的控制器實(shí)時(shí)地調(diào)整各個(gè)線圈電流的大小,從而使葉輪圈始終處于流量計(jì)的內(nèi)徑中間。由于旋轉(zhuǎn)體葉輪圈與管徑內(nèi)壁無接觸,不存在任何磨擦力矩,因此,沒有普通渦輪流量計(jì)存在的起始死區(qū)。當(dāng)葉輪在被測流體推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),葉輪圈上的永磁體也隨著轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)它經(jīng)過霍爾接近開關(guān)下面時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號。脈沖的頻率與葉輪圈的轉(zhuǎn)速成正比,而葉輪圈的轉(zhuǎn)速則與被測流體的流速成正比。渦輪流量汁的葉輪在被測流體的推動(dòng)下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方程為:

J=dw/dt=Md-MiMt-Mg

式中J—葉輪的慣性矩

w—葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

Md——推動(dòng)葉輪的主動(dòng)力矩

Mi——流體對葉輪的摩擦力矩

Mt——葉輪軸承的摩擦力矩

Mg—電磁轉(zhuǎn)換器作用于葉輪上的電磁反應(yīng)力矩

Mt和Mg使得渦輪流量計(jì)在被測流體流速低時(shí)非線性嚴(yán)重。磁浮型渦輪流量計(jì)由于不存在Mt和Mg,因而在被測流體流速低時(shí)也有較好的線性度。影響磁浮型流量計(jì)線性度的因素儀是被測流體的粘度。從這一點(diǎn)來說,磁浮型渦輪流量計(jì)和普通渦輪流量計(jì)的適用范圍是一樣的。

二、模擬實(shí)驗(yàn)

我們渦輪流量計(jì)原有的基礎(chǔ)上對模擬實(shí)驗(yàn)裝置加以改裝后進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),由于實(shí)驗(yàn)條件所限,以排氣扇排出的氣流作為被測流體,在此氣流的推動(dòng)下葉輪圈的轉(zhuǎn)速曾達(dá)到1200轉(zhuǎn)。改變氣流推動(dòng)的角度,使其偏離軸線30,葉輪圈仍能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、結(jié)論

對于磁浮軸承在渦輪流量計(jì)上的應(yīng)用,我們作了初步的嘗試,理論分析和模擬試驗(yàn)表明,磁浮型渦輪流量計(jì)的使用壽命與金屬的強(qiáng)度沒有多大關(guān)系,在不更換半導(dǎo)體功率模塊的條件下,其壽命約為普通渦輪流量計(jì)的三倍。另外,磁浮型渦輪流量計(jì)對金屬材料和機(jī)械加工的要求要比普通渦輪流量計(jì)低。雖然磁浮型渦輪流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上增加了磁力控制和間隙檢測部分,成本有所提高,但是將機(jī)加工費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用的降低和使用壽命的提高綜合起來考慮,總成本是下降的,因此,磁浮型流量計(jì)的實(shí)用化是很有希望的。
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