金屬管轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子式流量計,它不僅有效地擴大了原來玻璃轉(zhuǎn)子流量計的測量范圍,而且提高了對使用環(huán)境的適應(yīng)性,還可測量多種介質(zhì)(包括一些高粘度和腐蝕性介質(zhì))的流量,特別適宜測量中、小管徑、較低雷諾數(shù)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(dāng)采用了變電容式角位移轉(zhuǎn)換器,還能進行遠(yuǎn)距離信號傳輸和實現(xiàn)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(nèi)流量測量領(lǐng)域里正異軍突起,開始廣泛應(yīng)用于國防、化工、石油、冶金、醫(yī)藥和輕工等工業(yè)部門的液體、氣體流量測量和自動控制系統(tǒng)。
金屬管轉(zhuǎn)子流量計的結(jié)構(gòu)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(dāng)被測量發(fā)生變化,儀表的指示標(biāo)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(biāo)尺由戶質(zhì)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(fù)振蕩。特別是當(dāng)該儀表被用于測量氣體流量時,在管路系統(tǒng)中有時出現(xiàn)流體的脈動現(xiàn)象,使得傳感器中浮子出現(xiàn)往復(fù)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(biāo)尺,嚴(yán)重地影響儀表的準(zhǔn)確讀數(shù)。對于具有電遠(yuǎn)傳性能的儀表,還將引起輸出信號的不平穩(wěn),并使與之配套的記錄儀表的記錄嚴(yán)重失真。因而,要克服這種流體脈動效應(yīng)引起的機械振動現(xiàn)象,筆者在其指示器內(nèi)設(shè)置阻尼裝置,以提高其讀數(shù)精度。
以下就空氣阻尼裝置、液體阻尼裝置和磁感應(yīng)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(jié)論:由于空氣粘度很少受溫度波動影響,空氣阻尼的溫度穩(wěn)定性比相應(yīng)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(yīng)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(nèi)幾乎能夠得到無限大的阻尼,但是它的溫度穩(wěn)定性比相應(yīng)的空氣、磁感應(yīng)阻尼要差,它的阻尼值隨溫度變化大。而磁感應(yīng)阻尼的溫度穩(wěn)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(yīng)阻尼是一種最能預(yù)測估算的阻尼型式。在任何給定環(huán)境溫度的條件下,根據(jù)磁感應(yīng)阻尼裝置的設(shè)計參數(shù)能以足夠的精度計算出它的一個重要性能指標(biāo):阻尼力矩。磁感應(yīng)阻尼裝置產(chǎn)生的阻尼力矩嚴(yán)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(tài)精度,在結(jié)構(gòu)上也容易實現(xiàn)。
值得指出的是,磁感應(yīng)阻尼裝置的工作原理實質(zhì)上是電磁學(xué)理論中所闡述的一種渦流的機械效應(yīng)。
如果渦流載體用銅(非鐵磁性的良導(dǎo)體材料)制造,刀令么該種磁感應(yīng)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(shù)影響)。由此可見,磁感應(yīng)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(yīng)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(shù)。阻尼時間是指當(dāng)儀表轉(zhuǎn)動部分部件(包括指示標(biāo)尺在內(nèi))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(shù)的時間。
關(guān)于磁感應(yīng)阻尼裝置設(shè)計計算,這里列舉具有永久磁鋼和非鐵磁性的良導(dǎo)體材料扇形銅板的磁感應(yīng)阻尼裝置(見圖3)進行介紹。
當(dāng)設(shè)定已知允許阻尼時間(t2)動和允許振動幅△a時,則計算設(shè)計的步驟如下:
式中ao一儀表轉(zhuǎn)動部分穩(wěn)定后的角度
利用圖4可求最佳阻尼因數(shù)月。p,或利用圖5曲線來確定(ωot) tmin和相應(yīng)的b值(ωo為無阻尼時系統(tǒng)固有振動的角頻率)
(2)按選定的扇形磁感應(yīng)阻尼裝置的結(jié)構(gòu)條件,初選主要尺寸(參見圖3所標(biāo)的各有關(guān)尺寸)。
(3)按選定運動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)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(yīng)阻尼裝置的阻尼系數(shù)C:
式中
h—扇形感應(yīng)片厚度,Cm
b—磁鋼截面長度,cm
d—磁鋼截面寬度,Cm
B—磁感應(yīng)強度,TR
R—扇形半徑,cm
ρ—扇形感應(yīng)片材料的電阻率,Ωmm2/m
X—磁鋼到扇形感應(yīng)片邊緣的徑向距離,em
L—系數(shù),由圖6查出
K—系數(shù),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(shù)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(shù)即可,其計算誤差不超過10%.
(5)由公式b= 1132-9求出所設(shè)計的阻尼裝置的阻尼因數(shù)b值的實際值(I為運動部件的轉(zhuǎn)動慣量)。
(6)由計算法確定阻尼時間ι2
式中a—儀表轉(zhuǎn)動部分的偏轉(zhuǎn)角
da/dt—儀表轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子流量計在進行流量測量時的振蕩現(xiàn)象,提高了測量的準(zhǔn)確度。
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