（车辆工程专业论文）涡轮流量计动态特性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 涡轮流量计动态特性研究 硕士研究生：王建强 导师：郁凯元教授 东南火学机械工程系 南京2 1 0 0 9 6 论文起止日期：2 0 0 1 年8 月2 0 0 3 年3 月 摘要 动态流量测量迄今为止一直是液压测试的一个难题。其原因在于：首先难以 获得很精确的脉动或阶跃流量激励，因此无法精确的标定流量计的动态特性；其 次目前的各类流量计都存在各自的缺陷，难以达到动态流量测量要求的性能指标。 随着液压技术尤其是电液控制技术的发展，实时、精确的获得液压系统的瞬 时流量越来越具有重要意义。解决动态流量测量阀题有三种途径：一是发现流量 测量新原理；二是在现有流体力学原理上发明新型流量计；三是对现有流量计进 行技术改造来提高其性能指标。其中第三种最为简便，成功后经济效益最佳。涡 轮流量计是应用最广泛的一种流量计，目前主要用于稳态流量测量。本论文对涡 轮流量计动态特性进行研究，并探讨将涡轮流量计用于动态流量测量的改进途径。 运用流体动量矩原理和j e r r y g r e y 的方法都可以求得涡轮在流体中受到的 推动力矩，后者计算结果更为准确；在考虑的涡轮在流体中受到的各种阻力矩后， 论文中建立了涡轮流量变送器的动态数学模型。利用经典控制理论，可以对该模 型进行分析，当流量足够大时，可以忽略各种阻力矩的影响，得到在阶跃速度激 励下的涡轮流量变送器的理论动态响应时间常数，计算表明流体中的涡轮在流量 变化时的动态响应很快，限制涡轮流量计测量动态流量的不是涡轮的转动惯量。 涡轮流量计的流量积算由二次仪表完成，传统流量积算仪价格昂贵，动态响 应缓慢，无法记录变送器输出信号的实时变化情况。本论文应用虚拟仪器软件 l a b v i e w 结合数据采集卡代替流量积算仪，标定了实验用节流流量计的流量系数 c a ，并对涡轮流量计的动态特性进行研究。实验结果表明，这种方法可以大大提 高应用涡轮流量计测量流量的稳态性能指标；另外验正了限制涡轮流量计用于动 态流量测量不是涡轮的转动惯量，而是检测涡轮转速的电磁转换器的原理。 如果能够将光栅、激光干涉仪等先进的角速度检测方法应用到涡轮流量计的 转速一脉冲电压转换中，预期将可以利用涡轮流量计实现动态流量测量。 关键词： 动态流量测量涡轮流量计动态特性l a b v i e w 第i 砸 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h e t u r b i n ef l o w m e t e r m sg r a d u a t es t u d e n t ：w a n gj i a n q i a n g t h e s i sa d v i s o r ：y u ，k a i y u a n ，p r o f e s s o r , p hd d e p to f m e c h e n g ，s o u t h e a s t u n i v ，n a n j i n g ，c h i n a 2 1 0 0 9 6 f r o m a u g u s t 2 0 0 1t of e b r u a r y2 0 0 3 a b s t r a c t i ti sd i 施c u l tt om e a s u r ed v n a m i cf l o wi nh y d r a u l i cf i e l db e c a u s et h e r ei sn os a t i s f a c t o r y f l o w m o t e rw h i c hi sf a s te n o u g ha n dn od e v i c e st h a tc a na r i s eas t a n d a r ds t e pf l o wt oc a l i b r a t et h e f l o w m e t e r t 1 1 et h e s i sa l l e g e st h r e ew a y st or e s o l v et h ep r o b l e m ，t h ef i r s ti st oi n v e n tn e wt h e o r e m f o rf l o wm e a s u r i n g ；t h es e c o n di sd e s i g n i n gn e wf l o w m e t e ra b i d e db ys u c c e s s f u lp r i n c i p i u m ；t h e t h i r di sa m e n de x i s t i n gf l o w m e t e rt oa d v a n c et h e i ri n d e xo fp e r f o r m a n c e t h el a s ti sac o n v e n i e n c e a n dp r o m i s i n go n e w em u s tf a c e m e a s u r i n gd y n a m i c f l o wa sr e s e a r c ho nan e wt y p e “n o r m a l l y o p e n ” e l e c t r o - h y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o lv a l v eo f “i n v e r s e l y - p r o p o r t i o n a l ”c o n t r 0 1 s ow e h a v et or e s e a r c h o nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h et u r b i n ef l o w m e t e ri nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m t h et h e s i sd e v e l o p st h em a t h e m a t i c a lm o d e io ft u r b i n ef i o w l n e t e r , a n da n a l y s e st h em o t i v e d i f f e r e n t i a le q u a t i o na n dt r a n s f e rf u n c t i o n ；t h e ng e tt h es t e pr e s p o n s et h e o r e t i c a lt i m ec o n s t a n to f t h e f l o w m e t e ru s e di nt h ee x p e r i m e n t t h e nd e m o n s t r a t e sw h a tl i m i t st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e f l o w m e t e ri sn o tt h ei n e r t i ao f t h et u r b i n e t h ef l o wm e a s u r e db yt h ef l o w m e t e rw i l lb ea c c u m u l a t e db yt h ef l o wa c c u m u l a t o r , b u tt h e f l o wa c c u m u l a t o ri st o os l o wa n dc a l ln o tp u td o w nt h ei n s t a n t a n e o u sf l o w s ow er e p l a c ei tb yt h e c o m p u t e ra i d e dt e s t i n gs y s t e m m a i n l yc o m p o s e d o fa x 5 4 1 2 ( h g ) d a t aa c q u i s i t i o nb o a r da n d l a b v i e ws o f t w a r e t h e nu s i n gt h et e s t i n gs y s t e m ，t h ef l o wc o e f f i c i e n t ( c d ) o fd pf l o w m e t e ri s c a l i b r a t e da n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u r b i n ef l o w m e t e ri ss t u d i e d w ec o m et ot h er e s u l t t h a tu s i n gt h et e s t i n gs y s t e mw i l la d v a n c et h ei n d e xo f p e r f o r m a n c eo f t u r b i n ef l o w m e t e rg r e a t l y , a n d w h a t1 i m i t st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o w m e t e ri sn o tt i r ei n e r t i ao ft h et u r b i n eb u tt h e p r i n c i p i u mo f t h ee l e c t r i c - m a g n e t i s mt r a n s f e rd e v i c ew h i c h s e n s et h ea n g u l a rv e l o c i t yo f t h et u r b i n e t h et h e s i sb e l i e v e st h a tt h e d y n a m i cf l o w w i l lc a nb em e a s u r e db yu s i n gt h et u r b i n e f i o w m e t e ri fw ec a nb r i n gt h ea d v a n c e dt e s t i n gd e v i c es u c ha sa c c e l e r a t i o ns e n s o r , r a s t e ro rl a s e r i n t e r f e r o m e t e ri n t os e n s i n ga n g u l a rv e l o c i t yo ft h et u r b i n ei nt h ef l u i d t h e nt h ep r o b l e md y n a m i c f l o wm e a s u r i n gw i l lb er e s o l v e dc a t h o l i c a l l y k e y w o r d s ： d y n a m i c f l o wm e a s u r e m e n t d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 第i i 砸 t u r b i n ef l o w m e t e r l a b v i e w 5 6 1 2 f 3 东南大学学位淦文独创性声圳及使朋授权的说明 一、学位论文独创性声明 本久声翻掰呈交麓学莅论文是我个久在辱舜捂器下进行静研究工作及取得的姘 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰霹过的磷究成紧，也不镪含为获愿东南大学或其它教鸯毫眨擒黪学 位或证书衙使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所馓的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一去绺 签名：蛙蠹熬 日期： 型i ：2 圣兰j 二、关予学霞论文镬雳授投豹说甥 东南大学、中国科学技术信息研究所、豳家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件捆电子文档。可以采用影印、缩印或其他复制警段保移论文。本人电子 文襁豹内容稻纸璇论文的内容橱致。豫在傈密期内酌绦密论文矫，允许论文被 查阅和借阅可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊 登) 授权夺岗大学辨究生黢办理。 签名： 导师签名 东南大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着工业生产和科学技术尤其是电液比例控制技术的迅速发展，液压传动及 控制装黄得到了越来越厂泛的应用，这就对液压元件、系统以及测量等方面提出 了越来越高的要求。在液压领域中，流量的测量有着广泛的应用，涉及到到元件 的质量、系统的品质、参数的辨识等。与其它领域的流量测量仪表相比，应用在 液压领域中的流量测量仪表有着自己的使用条件、要求和特点。目前，稳态流量 测量的手段已经基本成熟，动态流量的精确测定也具有十分重要的意义，主要包 括以下几点：【1 】 l - 获得系统某处的动态流量特性； 2 检验以流量为输出参数的液压元件的输出动态特性； 3 可掌握液压系统或元件的动态特性，识别其数学模型； 4 用于液压传动和控制系统的流量反馈控制： 5 获得平均流量的精确值。 可以说，动态流量测量在液压参数测量、流体力学研究等方面具有广泛应用 前景，是液压领域研究的重要组成部分，但目前国内外仍没有完善的动态流量测 量手段。其原因在于：首先难以获得很精确的脉动或阶跃流量激励，因此无法精 确的标定流量计的动态特性；其次目前的各类流量计都存在各自的缺陷，难以达 到动态流量测量所要求的性能指标。 本研究室在研究用于a b s 的具有反比例性质的电液比例压力控制阀中，也涉 及到流量测量的问题，涡轮流量计因其良好的性能而被采用，对该阀进行稳态流 量特性研究：但在涉及到动态流量测量时，首先需要对涡轮流量计的特性进行研 究。 目前涡轮流量计大多用于稳态流量测量，而迄今为止未见有对涡轮流量计的 动态特性进行详尽研究的论文发表。因此本论文拟探讨涡轮流量计的动态特性及 其用于动态流量测量的可行性。 1 1 流量测量概述 流体流过一定截面的体积或者质量与时间之比称为通过该截面的流量。其中， 体积与时间之比，称为体积流量，质量与时间之比，称为质量流量。如果流体的 流动是不随时间变化的定常流，流量就可以用流体在单位时间内通过一定截面的 体积或质量来表示。当流动为非定常流时，流量随时间不断地变化。因此，对某 一时刻的流量，可以假定在该时刻前后某一微小的t 时间内流动为恒定，用该微 小时间间隔内流过的流体体积或质量来表示 2 1 3 j 。 设流体通过截面中的某一微小面积为面，并取通过该微小面积流体的流速为 口，则流体通过微小面积舔的体积流量由。，为 由，= i - 舔 第1 页 东南大学硕士学位论文 流体通过整个截面积的体积流量g ，可用对截面积s 积分求出 q 。= 尊t 蕊 如果整个截面k - a 点的流速v 相同，则由式( 1 2 ) 可得： q ，= v s 质量流量可以用流体体积流量与流体密度之积来表示。若质量流量为q 。， 度为d ，则 g 。= p g ， 或 q 。= p v s ( 1 2 ) ( 1 3 ) 流体密 n 一4 1 ( 1 - 5 ) 以上所述为瞬时流量的定义。在工程应用中，常常同时要求测量经过一段时 间流过管道的总体流量，即要求测量通过管道的流体累积流量。下面讨论累积流 量与瞬时流量之间关系。 如果体积流量为q 。，质量流量为q 。，那么，在时间间隔a t 内流体流过的累 积流量，可用下式表示： 流体质量累积流量： q ，= b 。出 流体体积累积流量： q v = j q d t 所以，如果流动为稳定流，流体密度p 一定，由式( 1 6 ) 、( 1 7 ) 可得 q 。= g 。f q 。= q 。， 应用式( 1 - 4 ) 对上述关系式整理，可得： q 。= q 。t = p q ，t = p q ， 从上述累积流量关系式中可以看出，累积流量的测量，就是流体体积的测量， 或是流体质量的测量。 测量这些流量的仪器称为流量计。根据流量计测量的对象，可以将其分为两 大类，专门测量体积流量的称为体积式流量计，测量流体质量流量的称为质量流 量计。在流体密度已知时，两种测量结果可以互相转换。 1 2 流量测量方法及流量计0 2 1 1 3 1 1 4 1 1 1 【5 i 现代工业中的流量测量，采用了各种各样的方法，应用于各种不同的场合和 各种不同的测量目的，这些测量方法基于多种不同的测量原理，利用各种不同的 输出信号变化来反映流体流量的变化。流量计可以测量气体和液体的流量，下面 只介绍与液压系统相关的液体流量计。 第2 页 d 砷 n 一 _ 一 一 ( u u u 0 j ( 东南大学硕士学位论文 1 2 1 体积流量的测量 依据其测量原理，可以将体积流量测量方法分成三大类：利用伯努利方程来 测量流量的流量计是以输出流体差压信号来反映流量：容积式流量计是利用累积 连续的一个一个标准小容积测量流量：速度式流量计利用测量流速来得到流量。 下面逐一介绍利用上述三种方法测量体积流量的流量计。 1 利用伯努利方程测量流量的流量计 流体流动的伯努利方程就是流体运动的能量方程，其含义是：在流体运动过 程中，不同性质的机械能可以相互转换，但总的机械能守恒。 在流体力学理论中，伯努利方程有很重要的地位，它说明了流体流线上各点 之间的能量关系。若在流体流过的管路中安装一个使流通截面缩小的节流件，则 流体流过该节流件会在节流件前后产生压差p 。设节流件处的流体流通截面为s ， 流体密度为p ，根据伯努利方程和流体的连续性方程，可以导出流体的体积流量 q v 为： q ，吒s 、廖 ( 1 _ 1 1 ) 式中c d 为节流流量系数。 由上式可知，若节流件前后的流通面积s 和流体密度p 一定，则流体流量与 节流件前后差压的平方根成正比，这就是差压式流量计的测量原理。若保持节流 件前后压力差恒定，则流量与节流件的流通截面s 成正比，这就是面积式流量计f 浮 子流量计) 的测量原理。 ( 1 ) 差压式流量计 在伯努利方程中，保持流通面积s 一定，测量节流件两侧压力差而得到流量 值的，是差压式流量计。 差压式流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸气流量的最常用的 一种流量仪表。据调查统计，在炼钢厂，炼油厂等工业生产系统常期使用的流量 计有7 0 8 0 左右是差压式流量计。在整个工业生产领域中。差压式流量计也占流 量仪表总数的半以上。差压式流量计所以得到如此广泛的应用，主要是因为它 具有以下两个非常突出的优点：a 结构简单、安装方便、工作可靠、成本低、具 有定准确度，能满足工程测量的需要。b 有很长的历史、有丰富可靠的实验数 据、设计加工已经标准化，只要按标准设计加工的差压式流量计，不需要进行实 际标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。 差压流量计有以下几种： a 节流流量计，这类流量计直接利用伯努利方程，测得节流件两端压力，进 而根据式( 1 - 1 1 ) 求得流量节流件主要有孔板、喷嘴、文丘里管和文丘里喷嘴等。 b 动压流量计，这类流量计测量动压头得到流体的流速，进而得到流量值。 它分别测量流体的全压头和静压头，两者之差即为流体动压头。这类测量方法的 仪表有毕托管和均速管流量计。 c 靶式流量计，这类流量计利用测量流体动压和流体节流前后差压联合作用 力来获得流量。它是通过测量流体对一个放在流体中的靶上的作用力来测量流体 的流速和流量的。 第3 页 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 面积式流量计 在伯努利方程中，保持节流件前后压力差恒定，测量流体通过的节流口面积 来计算流体的体积流量，就是面积流量计，又n q 浮子流量计或转子流量计。 面积式流量计由一根自下向上的垂直锥形管 和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组成，如图卜1 所示。被测流体自下而上经过锥管和浮子形成的环 隙时，浮子上下端产生的压力差w 使浮子上升， 当压力差w 与浮力a 的和大于浸在流体中浮子的 重量0 时，浮子便上升，环隙面积随之增大，该 处流体流速下降，浮子上下端压力差w 降低，作 用于浮子的上升力亦随着减小，浮子下降。直到浮 子处于测量管内的一定位置时，压力差w 与浮力 a 的和与浮子重力g 相等，环状间隙面积达到稳 定。浮子便停留某一高度，这个高度和通过的流量 有对应关系，通过测量这个高度，可以得到流体的 流量。 i 图1 - 1 面积式流量计原 2 利用连续的标准小容积测量流量的流量计 这种流量计称为容积式流量计。广泛应用于各种液体和气体的流量测量。尤 其是在较高粘度的液体测量中，也具有很高的测量精度。其工作原理是将流过管 路的流量，以一个具有标准容积的“计量空间”连续不断地进行测量，根据该标 准容积的容积值和连续测量的累计次数，可以得到通过该流量计的累积流量。从 原理上讲，这种流量计在测量体积流量时不受流体密度和粘度的影响，可用于各 种粘度的流体，并可以在各种雷诺数条件下应用，而且对流动状态、速度分布也 无特殊要求。这种类型的流量计有较高的测量精度。但是，当流体中含有微小颗 粒杂质时，就可能妨碍它的正常工作，在测量高粘度流体时，会有较大的压力损 失。 容积式流量计主要由计量、密封联接和积算计数三部分组成。由于壳体和转 子构成的计量腔尺寸是固定不变的，故每转一周的排液量也是一定的，单位时间 内排出液体的体积只是同转子的转数成正比。只要测得转子的旋转次数，通过与 转子轴联接的齿轮变速机构，密封联接机构和精度修正器将旋转次数传递到计数 器，计数器即可现场指示流体的累积流量。此外根据需要流量计还可以与电脉冲 转换器和流量显示仪表配套，实现远距离流量积算，容积式流量计广泛应用于原 油等油品的计量，其特点如下： ( 1 ) 测量精度高，计量腔保持一定的容积，很少受紊流及脉动流量的影响，故 测量精度高，量程比为1 ：1 0 时，精度为o 5 ( 般测量用) ；量程比为1 ：5 时， 精度可达o 2 ( 商业交易用) 。 ( 2 ) 结构简单可靠且使用寿命长，流量计结构简单、坚固、紧凑，使用维修方 便，特别是腰轮式、刮板式等流量计的转子系非接触传动，表面不会磨损，故使 用寿命长，读数重复性好。 ( 3 ) 适用性广，受测量介质的粘度等物理性质、流动状态的影响小，特别适用 于浆状、高粘度液体计量，对低粘度流体也适用，还可测量其他流量计不易测量 的脉动流量。 ( 4 ) 耐高温高压，根据使用需要，可采用耐高温，耐高压特殊结构。 第4 页 东南大学硕士学位论文 ( 5 ) 安装要求不高，流体状态变化对测量精度影响小，故对流量计前后的直管 段或整流器无严格要求。 ( 6 ) 容易做到就地指示和远传。 主要的容积式流量计有腰轮流量计、刮板流量计、旋转活塞流量计、椭圆齿 轮流量计、圆盘流量计、湿式流量计、齿轮马达流量计等。典型的容积式流量计( 椭 圆齿轮流量计( 的工作原理如图( 卜2 ) 所示。两个椭圆形齿轮具有相互滚动进行接触 旋转的形状，当流体流过流量计时，作用在流量计进出1 ：3 之间的压力差f p l 一p 2 ) 使两 个齿轮产生旋转，并将流体由入口排向出口。在一次循环过程中，流量计排出四 个由齿轮与壳壁围成的初月形空腔的流体体积，该体积称为流量计的“循环体积”。 设流量计“循环体积”为v ，一定时间内转子转动次数为1 3 ，则在该时间内流过流 量计的流体体积为： q 。= n v( 1 - 1 2 ) 图卜2 椭圆齿轮流量计工作示意图 3 利用测量流速来获得流量的流量计 以测量流体流速来得到流体流量的流量计，统称为速度式流量计。当流体速 度一定时，流量q 。与流速v 有以下关系： q 。= v s( 1 - 1 3 ) 其中s 为流通截面积。 各种速度流量计均是首先测量流体在管道中的流速v ，之后利用式( 1 1 3 ) 计算 流量。因此速度式流量计不同与上述两类流量计的关键在于，必须已知流体流通 截面积s ，才能够得到体积流量。速度式流量计的种类很多，近年来发展也很快， 较典型和常用的有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计和热式 流量计等。 最常见的有涡轮流量计，它利用流体流动推动涡轮转动，流体流速与涡轮转 速成正比，通过测量涡轮转速可得到流体流速进而得到流量值。在工业上，可采 用涡轮流量计测量粘度较低的各种液体及气体的流量。这种流量计具有测量准确 度高、量程范围宽、线性好、脉冲输出等优点。 涡街流量计是采用在流体中安装迎流面为钝体的柱体，利用检测在柱体下游 有规则地产生的旋涡的频率得到流体的流速进而得到流量。它具有量程范围宽， 准确度高，适用流体范围广，压力损失小等优点。近年来，涡街流量计发展较快， 各种各样的涡频检测技术也纷纷出现，为了能产生更为稳定的，规则的涡街，柱 体形状、上游流动情况对旋涡产生与脱落的影响等，尚需做进一步的研究。 第5 页 东南大学硕士学位论文 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的原理工作的。它要求被测流体的电 导率不能过低，目前只能测量水和一些酸、碱、盐溶液，液态金属等，对气体和 绝大部分油类介质不适用。该流量计的一个显著特点是响应非常迅速，几乎无滞 后，对测量流体瞬时流量的变化非常适用。另一个显著特点是该流量计无阻碍流 体流动的部件，对流动几乎无阻力。对于管内稳定流动，严格轴对称速度分布流 体进行测量，流量计检测到的感生电势可以很好地反应管内流体的平均流速。但 这种流量计对于外界的电磁干扰很敏感，需采取一定的抗干扰措施，如注意良好 接地，屏蔽外界电磁场等。 近年来超声波技术用于流量测量发展很快。超声波在流动的流体中传播时， 就载上流体流速的信息，可用不同方法接收超声波，换算出流体流速及流量。目 前应用较多的检测方法主要有传播速度差法，多普勒法等。超声波流量计具有无 阻碍流体流动的特点，而且特别适宜于大流量的测量。传播速度差方法测量准确 度较高，但它不适用于含固体颗粒的污水等测量，流动速度较低时，也会产生灵 敏度下降，多普勒方法在含悬浮粒子，气泡等双相流动的测量中得到很好的应用， 是一种极有前途的双相流测量方法。 将一导热体置于流场中，并保持一定温度，那么，其加热电流就与流速成一 定比例关系，若维持加热电流不变，则导热体的温度就与流体流速成比例，以上 就是热式流量计的两种主要工作方式。热式流量计有多种形式：热线测速仪，托 马斯流量计，边界层流量计等。 热线测速仪也是速度式流量计，具有反应灵敏，探头体积小等优点，尤其适 用于流场中瞬时流速的多点测量，在流体力学科研中应用很多。托马斯流量计和 边界层流量计是热质量式流量计，信号可直接反映流体的质量流量c z 。 1 2 2 质量流量的测量 上述三类流量计，都是测量介质的体积流量。而在工业生产和产品交易中， 由于物料平衡、热平衡、储存等都须知道介质的质量，尤其是随着精细化工，航 天工业的发展以及石油价格的上涨，对计量的准确度提出了越来越高的要求，希 望计量值为不受外界条件影响的质量。在流量计量中，由于受到检测手段的限制， 往往不得不将体积流量乘以在某种状态下的介质密度，而换算成质量流量。但流 体的密度会随温度、压力而变化，因此必须在测量体积流量和密度的同时，测量 出介质的温度值及压力值，进行补偿，得到接近于真实值的质量流量或标准状态 下的体积流量。此种方法，当温度和压力变化频繁或为组分波动的多相流时，不 仅换算繁琐，无法获得高的计量精度，而且有时甚至无法获得有价值的计量结果。 为此，流量计量领域必须发展质量流量计。 以直接或单一测量读出流体质量流量为目的流量测量方法称为质量流量测量 方法，应用这种原理的流量计称为质量流量计。质量流量计可以分成两大类：直 接式质量流量计和推导式质量流量计。 1 直接式质量流量计：由检测元件直接检出反映质量流量大小的信号，从而 得到质量流量值。有差压式、角动量式、双涡轮式、热流式、双孔板式、哥氏力 流量计等。 2 推导式质量流量计：用体积流量计和密度计( 或含密度量的仪表1 组合，同 时检测出介质的体积流量和密度，通过运算器的运算得出与质量流量有关的输出 信号。 第6 页 东南大学硕士学位论文 式( 1 4 ) 和f i 5 ) 是质量流量的基本方程，由式( 1 5 ) 可见，当s 为常数时，直接 式质量流量计是检测出与p v 成正比的信号，经过运算而得出质量流量。 推导式质量流量计，可按式( 1 4 ) 由仪表分别检测出体积流量q ，和密度p ，也 可按式( 1 s ) o d 仪表分别检测出流速v 和密度p 。然后经乘法器运算后输出质量流量 信号，此种方法是以检测到的流速和密度的平均值进行运算，故不适合于测量瞬 变流量。 目前，密度计由于结构和元件特性的限制在高温高压下尚不能运行，只能 采用固定的密度数值乘以体积流量，但流体密度随压力、温度面变，从面必须进 行参数补偿。即在检测出体积流量的同时，检测出管道内介质的温度和压力，将 三者组合起来，自动地换算成质量流量或事先设定的状态下的体积流量，称为自 动温度压力补偿流量计。他是推导式质量流量计的一种特殊形式。当介质成分不 稳定，而使密度发生随机变化，或者密度与压力无法建立确定的关系式时，此种 温度压力补偿流量计就不适用了。 1 2 3 其它流量计 除了以上介绍的几种主要的测量流量的仪表以外，在工业生产中还有其他许 多种类与型式的流量仪表。在不同的工艺要求及不同的精度要求下，可以选用各 不相同的流量仪表，也可以不断的研制出新颖的流量仪表以适应不断发展的工业 生产的要求。 用堰、槽测量流量的方法，在使用上已有悠久的历史，尤其在水利工程，农 田灌溉、工厂排污等场合更为常见。 测量高粘度、小流量用的层流流量计也目益被人们所重视。由于它的信号输 出与流量的一次方成正比的特点，它正在被推广应用到较大的正常流量的测量上 去。 此外，激光多普勒流速计己在研究室中得到了成功的应用。示踪法测流量的 方法已有国际标准可供采纳。相关流量计、核磁共振流量计等新型流量计的研制 正在取得长足的进展【6 j o 1 3 动态流量测量 科学技术和工业生产的发展对流量测量的要求越来越高，随着电液控制技术 的发展，流量计量已经不仅仅局限于流量数值的获得，还广泛的应用于反馈系统 的自动控制，这就要求能够获得精确的动态流量数值并进行远距离传输。市场经 济的发展使人们在成本核算及商品的计量越来越精打细算，在流体的测量中，以 简单的平均流量代替流体的动态流量进行测量必然导致累积流量的较大误差，如 城镇居民用水的水表，由于涡轮的惯性，在流量停止后，水表不能立即停止，由 此产生的累计误差将大大的损害消费者的利益，的这也要求必须能够对动态流量 进行精确的计量。但在液压领域流量测量过程中，至今没有找到非常满意的动态流 量测量仪表。 涡轮流量计流量积算仪的动态响应一般都小于1 0 h z 。差压式流量计的频响 受到差压传感器的限制，同时脉动流量会使节流口的流量系数发生变化，影响其 精度。靶式流量计如选择合理的结构，可以把频带提高到1 0 0 3 0 0 h z ，但阻尼系 数却大大减小了，流量变化太快时，会引起振荡，而其它如浮子流量计、容积式 流量计等都不能用作动态流量的测量，超声波流量计是一种非接触式仪表，它不 第7 页 东南大学硕士学位论文 破坏流体的流场，没有压力损失，尤其是它的动态响应极快，频响高达1 2 0 k h z 。 但它要求被测体必须具有足够大的颗粒物供其反射超声波。而液压油中所充许的 颗粒物通常很小。仅u 级，小于波长，使超声波产生了绕射。嗣时还由于这类超 声波流量计不适用于小管径，且液体的压力、温度会使超声波声速发生变化，从 而引起较大的测量误差等缘故，还不能普遍应用于液压行业。另外，超声波流量 计的测量结构和信号处理装置通常也比一般流量计要复杂得多。激光多普勒流速 仪精确度高，动态响应好，但要求在测量点上必须使用透明材料，并且要求油液 具有一定的透明度和在油液中加入可辨粒子，这将对实际液压系统中元件的正常 工作产生影响，加之价格昂贵，限制了它的使用。近年来，国外把用于测量气体 流速的热线风速仪应用到液压流量测量中来，因为它没有机械运动部份，所以有 很高的频率响应，它的快速响应使它成为广种很有前途的方法。但由于它机械强 度不足、抗污染能力差、输出信号有很大的噪声而使信号处理比较困难和工作温 度范围一般仅在o 一4 5 0 c 之内等原因，目前热线风速仪在液压系统的测量中还很少 被采用( 1 j 。 1 3 1 动态流量测量问题的解决途径 解决动态流量精确计量问题的途径有三种，一是在现有的流体理论和流量测 量领域有大的理论突破，产生新的流量测量方法。虽然的这是一个最佳的解决问 题的办法，但从人类的科学技术史来看，理论研究的进展是缓慢的，认识客观世 界和把已经成熟的理论应用到生产两者中，后者更简单一些。 二是在现有的流体理论基础上重新设计新型的流量计，近年来国内外计量界 和液压界人士进行了大量的研究，取得了可喜的成果，但能兼顾动、静态特性， 性能指标、经济指标均十分令人满意的还未出现。1 9 8 6 年、1 9 9 3 年浙江大学曾分 别开发了耐高压动态流量计( 7 1 和智能型双向动态流量计i ，但未见推广应用。他们 的结构和性能指标将在下一节中简要介绍。 三是对现有的流量计进行技术改进，提高其性能指标，达到进行动态测量 的目的。现有的流量中，体积流量计的应用远远大于质量流量计，生产技术也较 后者成熟。三大类体积流量计中，差压流量计的动态响应最快，但考察式( 1 一l o ) 可以看出，利用差压流量计测量流量需要稳定的流量系数c d ，但理论分析和试验 研究表明表明，低流速时，c d 时随流量q 。变化，脉动流流量也会导致c d 的变化， 因而理论上差压流量计进行动态流量测量很难保证精度。对于容积式流量计，从 原理上讲，由于其通过小容腔直接测量连续流量，因而精度最高；但正因为如此， 流体在容积流量计中被分割为离散量，因此这种流量无法进行动态流量测量；而 速度式流量计品种繁多，应用普及，且没有发现测量原理上的限制。目前，多种 新型的速度式动态流量计由于收到各种条件的限制，无法广泛的应用与动态流量 测量，但它们新颖的原理为动态流量测量问题的解决提供了广阔的空间。前文提 到，涡轮流量计的动态响应一般都小于l o h z ，但理论计算表明，由于涡轮转动惯 量小，因此响应速度很快，限制涡轮流量计响应速度的可能是非机械部件因素。 因此本文拟对这个问题进行研究，涡轮流量计由于其良好的性能指标得到了广泛 的应用，如果能通过简单的技术改进，使其能够在一定流量范围内达到动态流量 测量的指标，则能为工业生产中的动态流量测量问题提供一种较好的手段，并将 带来较大的经济效益。 第8 页 东南大学硕士学位论文 1 3 2 两种新型的动态流量计 耐高压动态流量计和智能型双 向动态流量计本质上都是差压式流 量计，都是利用差压式流量计动态响 应快的优势，试图通过修正节流流量 系数c d 得到线性的流量一压力关系并 达到较高的测量精度。 1 耐高压动态流量计 耐高压动态流量计主要由流量 一位移转换器、耐高压差动式电感位 移传感器和载波测量放大器组成。其 中流量一位移转换器采用了二通插装 式结构，装在耐高压壳体内，耐静压 可达3 5 m p a 。耐高压差动式电感位移 传感器和载波测量放大器为浙江大 学流体传动及控制研究室研制的通 用耐高压位移检测测器件 ( z b y l 4 0 8 3 ) ，精度等级为0 5 级， 工作频宽f 。在4 0 0 h z 以上j 。 ，。r r ”i ；1 、硪。r 、一一一，i 筑蕊箍矗毳 图i - 3 耐高压动态流量计的结构原理图 图卜3 为耐高压动态流量计的结构原理图，该流量计的工作原理如下：当流 量一位移转换器中无流量通过时，柱塞m ：在弹簧c y 的作用下处于最下端的关闭位 置，柱塞位移z = o 。当流量q 通过流量一位移转换器时，柱塞m ；在液压力的作用下， 克服弹簧力、液动力和摩擦力而开启至相应的开度，实现流量一位移转换。由于在 柱塞阀套上开有经过修正的通油窗口，补偿了由弹簧力，液动力引起的工作压差 所致的非线性，从而获得线性的流量位移转换增益。与被测流量q 成正比的柱塞 位移z 由位移传感器测出，经载波测量放大 器放大后，得到与流量q 正比例的输出电压 u 。 该阀的实测f - 。d b 为5 6 h z ，相频宽f 一 。 为4 6 h z 。 一 2 智能型双向动态流量计 智能型双向动态流量计主要由流量一位 移转换器、位移检测器( 0 5 级精度) 、智能器 等三部分组成。 流量一位移转换器的功能是将流量值线 性地转换成相应的位移值。 即：x ：k q ( 1 1 4 ) 其中q 一被测流量值 图卜4 流量一位移转换器结构图 x 一输出位移值 k ：位移流量测量增益 如图卜4 ，当流量位移转换器中无流量通过时。薄刃板在弹簧力的作用下处 于中间关闭位置。薄刃位移值x = o 。当被测流量q 通过流量位移转换器时，薄刃板 第9 页 东南大学硕士学位论文 在液压力的作用下，克服弹簧力、液动力、粘性阻力及摩擦力的作用而开启至相 应的开度，即输出了一定量的位移值，实现了流量一位移的转换。流量位移转换器 利用稳态仿真及参数辨识得到非线性的通油窗口尺寸，借此补偿了与弹簧力、液 动力，粘性阻力相平衡的油液压差所造成的流量位移之间的非线性关系，获线性 流量位移增益。同时借助动态仿真及参数选择优化流量位移转换器动态特性。 位移检测器由耐高压差动电感 式位移传感器，通过载波放大器将位 移信号转换为与之成比例的电压信 号。 即：u = k x ( 1 - 1 5 ) 其中u 一位移传感器输出电压 x 一位移传感器所测位移 k 一电压位移测量增益 1 4 本论文的主要内容 本论文自第2 章起详细阐述对涡轮流量计进行动态研究的方法和研究结果。第 2 章介绍涡轮流量计的基本原理和选用条件等。第3 章分别运用流体动量矩原理和 j e r r y g r e y 法对流体中涡轮受到的推动力矩进行分析，并分析涡轮受到的阻力矩， 进而建立涡轮流量变送器的动态数学模型，求得实验用流量计理论阶跃流量响应 时间常数。第4 章叙述实验研究涡轮流量计动态特性的系统、设备及用虚拟仪器 软件l a b v i e w 结合数据采集卡a x 5 4 1 2 ( h g ) 实现稳态流量测量、节流流量计流量系 数c d 标定和动态流量测量的软件实现方案。第5 章为实验研究涡轮流量计的具体 流程和实验结果分析，最后探讨了基于动态流量测量的涡轮流量计改进方案。 第1 0 页 东南大学硕士学位论文 第2 章涡轮流量计概述 本章将详细的介绍涡轮流量计的结构、工作原理、特点、安装等问题。涡轮 流量计是一种典型的速度式流量计，是涡轮式流量( 流速) 计的主要品种，涡轮式 流量计还有风速计、水表等。涡轮流量计利用流体流动推动涡轮转动，流体流速 与涡轮转速成正比，通过测量涡轮转速可得到流体流速进而得到流量值。在工业 七，可采用涡轮流量计测量粘度较低的各种液体及气体的流量。这种流量计具有 测量准确度高，量程范围宽，线性好，脉冲输出等优点。 在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、 精确度最佳的产品，而涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件 少、重量轻、维修方便、流通能力大( 同样口径可通过的流量大) 和可适应高参数( 高 温、高压和低温) 等。迄今为止，这类流量计产品可达技术参数：口径4 - 7 5 0 m m ， 压力达2 5 0 m p a ，温度为一2 4 0 7 0 0 c ，像这样的技术参数其他两类流量计则是难以 达到的。 涡轮流量计广泛应用于以下一些测量对象：石油、有机液体、无机液、液化 气、天然气、煤气和低温流体等。在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转 运及集输站，大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。在欧洲和 美国涡轮流量计是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表，仅荷兰在天然气管线上 就采用了2 6 0 0 多台各种尺寸，压力从0 8 m p a 到6 5 m p a 的气体涡轮流量计，他们 已成为优良的天然气流量计。 l 紧固件2 - 壳体3 前导向件4 止推片5 涡轮 6 - 电磁感应式信号检测器7 轴承8 后导向件 图2 1为涡轮流量计传感器结构图 第1 1 页 涡轮流量计作为最通 用的流量计，其产品已发展 为多品种、全系列、多规格 批量生产的规模。另外，涡 轮流量计除前述工业部门大 量应用外，在一些特殊部门 也得到广泛应用，如科学研 究、国防科技、计量部门。 在这些领域的应用恰好避开 了涡轮流量计的弱点( 不适 于长期连续使用) ，充分发挥 其优点( 高精度，重复性好， 可用于高压、高温、低温及 微流量等条件) 。在这些领 域，大多是根据被测对象的 特殊要求进行专门的结构设 计，它们是专用仪表，不进 行批量生产。 东南大学硕士学位论文 2 1 涡轮流量计的工作原理 2 1 1 基本原理9 1 图2 - 1 为涡轮流量计传感器结构图，由图可见，当被测流体流过传感器时， 在流体作用下，涡轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比。涡轮的周期转动 使磁电转换器的磁阻值发生周期的改变，检测线圈中的磁通随之发生周期性变化， 产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至二次仪表显示。 涡轮流量计的实用流量方程为 旷么 ( 2 1 ) 式中 q ，一为体积流量( m 3 s ) f 一流量计输出信号的频率( p u l s e s ) k 一流量计的仪表常数( p u l s e m 3 ) 。 流量计的仪表系数与流量( 或管道雷诺数) 的关系曲线如图2 2 所示。由图可 见，仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段。线性段约为工作段的三分之二， 其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力，流 体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器流量下限时，仪表系数随着流量迅速变 化。压力损失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现 象。结构相似的涡轮流量计特性曲线的形状是相似的，仅在系统误差水平方面有 所不同。传感器的仪表系数由流量校验装置校验