（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs无线通讯的电涡流式涡轮流量计的研究.pdf

中文摘要 涡轮流量计是一种速度式流量计，具有精度高、使用方便、适威性强、数字 信号输出等诸多优点。但是传统的磁阻式涡轮流量计存在一定的缺点，即在流量 下限和低于下限的时候，因为线圈磁芯的吸力影响，直接导致叶轮旋转速度变慢 并且不均匀，造成了下限重复性变差，甚至叶轮停转。这样就无法准确测量流量 低于下限时的数据。 课题采用电涡流技术对涡轮流量计进行了改进，研制成功了一种量程比宽、 下限重复性好、工作可靠、稳定特性好的电涡流式涡轮流量计，并将其与g p r s 无线通讯技术相结合，避行了应用性磅究。 首先通过对涡轮流量计结构、工作原理和特性分析，指出了吸力产生的原因 和造成的影响。 其次对电涡流技术的原理帮寂用做了介绥，设计了电涡流式涡轮流量计的硬 件电路，包括激励电路、检波电路、信号放大电路和脉冲发生电路，并和磁阻式 涡轮流量计进行了对比实验，验证了电涡流式涡轮流量计对流量下限的改善作 用。 然后对小流量时的仪表系数进行了非线性修正，改善了线性度，拓宽了量程 比。以m s p 4 3 0 单片机为核心设计了非线性修正电路，编写了非线性修正程序。 并通过实验数据和麓线图清晰的反浃了修正前后仪表系数随频率的变化情况。 最后介绍了g p r s 无线通讯技术的应用，并设计了g p r s 无线通讯系统，包 括组网方式，网关软件等，实现了通过g p r s 网络的数攘远程传输，并与电涡流 式涡轮流量计楣结合，实现了将瞬时流量、累计流量、仪表系数、重复性等现场 数据上传到上位机。 关键词： 涡轮流量计电涡流g p r s 网络非线性修正m s p 4 3 0 单片机 a b s t r a c t t u r b i n ef l o w m e t e ri sak i n do fv e l o c i t yt y p ef l o w m e t e r , i th a sm a n y a d v a n t a g e s ， s u c ha sh i g hp r e c i s i o n ，e a s yt ou s e ，g o o da d a p t a b il i t ya n dd i g i t a ls i g n a l o u t p u t h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lt u r b i n ef l o w m e t e r , w i t hr e l u c t a n c er o t o rs p e e dd e t e c t o r , h a s s o m ed r a w b a c k s ，n a m e l yw h e ni tw o r k sb e l o wt h el o wl i m i tf l o wr a t e ，t h er o t a t i n g s p e e do ft h er o t o rs l o w sd o w nb e c a u s eo ft h e t h es u c t i o nf o r c eo ft h ec o i lc o r e ， r e s u l t i n gi nab a dr e p e a t a b i l i t yi nl o wl i m i to re v e nt h er o t o rs t o p sr o t a t i n g s o ，t h e f l o wr a t eb e l o wt h el o wl i m i tc a nn o tb em e a s u r e da c c u r a t e l y i nt h i st h e s i s ，e d d yc u r r e n tt e c h n o l o g yw a su s e df o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft h et u r b i n ef l o w r n e t e r a n da n e d d y c u r r e n t t y p et u r b i n e f l o w m e t e rw a s s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d ，i t sf l o wr a n g ei sw i d e ，r e p e a t a b i l i t y ，r e l i a b l ea n ds t a b l e c h a r a c t e r i s t i c sa tl o wf l o wr a t ea r eg o o d t h eg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hw a s c o m b i n e di nt h ee d d yc u r r e n tt y p et u r b i n ef l o w m e t e r f i r s t ，t h ec a u s e sa n dt h ee f f e c to ft h es u c t i o nf o r c ew e r ep o i n t e do u tb yt h e a n a l y s i so ft h es t r u c t u r e ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h et u r b i n e f l o w m e t e r s e c o n d ，t h ep r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o no fe d d yc u r r e n tt e c h n o l o g yw a s i n t r o d u c e d t h ec i r c u i to ft h ee d d yc u r r e n tt u r b i n ef l o w m e t e rw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n g e x c i t a t i o n ，d e t e c t i o n ，a m p l i f i e ra n dp u l s eo u t p u ta n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l t u r b i n ef l o w m e t e rw i t hr e l u c t a n c er o t o rs p e e dd e t e c t o rb yr e a lf l o wt e s t i tw a s v e r i f i e dt h a tt h ee d d yc u r r e n tt u r b i n et y p ef l o wm e t e ri m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c ea t l o wf l o wr a t e t h e n ，t h em e t e rf a c t o rb e l o wt h el o wf l o wl i m i tw a sc o r r e c t e dt oi m p r o v et h e l i n e a r i t ya n dt h ef l o wr a n g ew a sb r o a d e n e d m s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e rw a su s e da st h e c o r eo ft h en o n l i n e a rc o r r e c t i o nc i r c u i t ，a n dt h en o n l i n e a rc o r r e c t i o np r o g r a m m ew a s m a d e t h ev a r i a t i o no ft h em e t e rf a c t o ra c c o r d i n gw i t ht h ec h a n g eo ff r e q u e n c yw a s s h o w nb yt h e d a t aa n dt h ec u r v eg r a p hi nt h ec a s e so fb e f o r ea n da f t e r ! h en o n l i n e a r c o r r e c t i o n a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o no fg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw a s i n t r o d u c e d t h eg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n g n e t w o r ke s t a b l i s h m e n t ，g a t e w a ys o f t w a r ea n ds oo n t h ed a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g h t h eg p r sn e t w o r kw a sr e a l i z e d ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ee d d yc u r r e n tt y p et u r b i n e f l o w m e t e r , i n s t a n t a n e o u sf l o wr a t e ，t o t a lf l o wr a t e ，m e t e rf a c t o r ，r e p e a t a b i l i t ya n ds o o nc a nb es e n tt ot h es u p e r i o rp c k e yw o r d s ：t u r b i n ef l o w m e t e r , e d d yc u r r e n t ，g p r sn e t w o r k ，n o n l i n e a r c o r r e c t i o n ，m s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 匀蔓 看嶙 ，i 签字日期： 彤年 月乡同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： 2 护易年乡月占日 薪硌弓饭厮 签字月期：7 形移年易月彩日 第一章绪论 1 1 涡轮流量计发展概况 第一章绪论 从1 9 世纪中叶开始，商用水表、煤气表和文丘里流量计等现代各类流量仪 表耀继出现。2 0 世纪2 0 3 0 年代趣现了孔板和喷嘴节流的差压式流量诗、浮( 转) 予流量计、容积式流量计以及示踪法和稀释法等流量测量方法。4 0 年代后以公 用事业和流稷工业为先导的工业各部门大量使用流量仪表，促进各种实用新颖流 量仪表闻世和发展，如5 0 , - - 6 0 年代的涡轮式、电磁式；7 0 - 8 0 年代的涡街式、超 声式、热质量式、科里舆利质量式。9 0 年代蓬勃发展的科里奥利质量流量计有 人称之为2 0 世纪最后的新颖流量计。近年来，流量仪表市场未见到有新测量原 瑗的流量仪表面世，推向市场的薪型号流量仪表只是在原骞基础上进行扩展应簇 领域、增加功能、提高性能等方面的改进 1 , 1 0 , 1 1 】。 美国早在1 8 8 6 年即发布过第一个t u f ( 涡轮流量计) 专利，1 9 1 4 年的专利 认为t 疆的流量与频率有关。美黧豹第一台是在1 9 3 8 年开发嚣，它用于飞机上 燃油的流量测量，只是直至二战后因喷气发动机和液体喷气燃料急需一种高精 度、快速响应的流量计才使它获得真正的工业应用【2 j 。 涡轮流量计是测量仪表门类中豹一令重要的产品系捌，若震子洁净的低粘度 液体流量测量时，在相当宽的流量范围内，其测量精确度可达0 5 0 1 5 ，重 复性可达0 。l o 0 5 ，这是它最为突出的优点 2 j 。另外，它还具有体积小、重 量轻、易予做列耐高压及数字脉冲输出等特点，因而不仅可徽监控测量仪表，谣 且更重要的是，由它组成的流量测量系统可达国际商业贸易允许的计量误差瑟 求。 磊前在涡轮流量计上，我国普遍采用的磁咆转换器为磁阻式，其原理结构如 图1 1 所示。磁阻式磁电转换器由永久磁钢及其外部缠绕的线圈组成。转换器安 装在涡轮叶片的正上方，流体流过时，冲击盱轮旋转。时片处在永久磁钢的正下 方时，磁路的磁阻最小；当两个叶片中间的间隙处在永久磁铁的正下方时，磁路 的磁阻最大。涡轮在流体的冲击下旋转，不断地改变磁路的磁阻，使永久磁钢外 的线圈中产生变化的感生电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号。脉冲信号的 频率与管道中流体的流量成正比i 3 】。 但是磁阻式磁电转换器有一个缺点，就是当叶轮转速很低时，转动不稳定。 第一章绪论 尤其是小口径涡轮流量计处于下限流量时，就可以观察到叶片转动到永久磁钢附 近时，会有减速甚至停转现象。这是因为叶片采用导磁材料制成，永久磁钢对叶 片具有吸引力，即磁阻力造成的。 l23 5 图1 1 磁阻式磁电转换器结构示意图 1 感应线圈2 永久磁钢3 线圈支架4 涡轮5 叶片 1 2 电涡流技术的发展概况及应用 美国的休斯( d e h u g h e s ) 首先在1 8 7 9 年的实验中将电涡流现象和测量方法 联系起来，而逐步形成一种测试手段和技术是本世纪四、五十年代后。此后德国 的r e n t i q u e 研究所和美国的b e n t l y n a v a d a 公司相继研究了电涡流检测器的原理， 并逐步发展成了产品和仪器。目前生产电涡流检测器最多的是美、日、德、英等 国家。在国内，研制电涡流检测仪表起步较晚，在近来的几年里，也已有成型产 品出现。由于该类仪表本身的一些优点，一些仪表研制出来后，很快被工业部门 应用于测量位移、厚度、尺寸、振动、转速、压力、电导率以及金属材料探伤和 缺陷检测掣4 | 。 建立在电涡流原理上的检测器是属于非接触性测量方法，它可以把位移、振 幅、厚度、尺寸、裂纹等转换成频率变化量来测量，并且具有测量线性范围大， 频响宽，抗干扰能力强，结构简单等优点。在国内外已将其广泛应用于位移、速 度的检测和探伤掣4 | 。 随着科学技术的发展，在测试技术中已广泛采用非电量电测技术及其仪器， 电测技术具有以下优剧4 j ： 1 测量的灵敏度高，测量范围广； 2 由于电磁仪表和电子装置的惯性小，故测量响应快，有较宽的频率范围； 第一章绪论 3 能自动连续地测量，便于自动记录； 4 采用微处理器做成的智能仪表可与微型计算机一起组成测量系统； 5 可进行远距离测量，从而能实现集中控制和远程控制。 但在不同的场合，还要求能对物体进行非接触测量，这是因为：1 ) 在有些情 况下，接触式测量会缩短检测器的寿命。2 ) 在检测器与被测物体接触时，相当于 给被测物加负载，影响测量精度。3 ) 有些场合根本无法用接触法来测量。如对高 速旋转转轴振动的测量等。因此在非电量电测技术领域中，非接触性测量方法及 仪器的研究，一直是检测技术发展的一个重要方面。 为了改善涡轮流量计在小流量时的特性，本文所述的涡轮流量计采用的是电 涡流式转换器，代替了原来的磁阻式转换器。这也是一种非接触式转速传感器， 利用振荡器的能量被叶片内的电涡流吸收、调制振荡器的振幅的原理，最终输出 脉冲信号。在小流量时，可以消除磁芯吸力对涡轮旋转的影响。 1 3g p r s 无线通讯的发展概况及应用 1 3 1g p r s 无线通讯的发展概况 通常我们将移动通信分为三代，第一代是模拟的无线网络，第二代是数字通 信包括g s m ，c d m a 等，第三代是分组型的移动业务，称为3 g 。g p r s 是通用 无线分组业务的缩写( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) ，是介于第二代和第三代之间 的一种技术，通常称为2 5 g ，目前基本上是通过升级g s m 网络来实现。称之为 2 5 g 是比较恰当的，因为它是一个混合体，采用t d m a 方式传输语音，采用分 组的方式传输数据。因此具有很好的信号覆盖；g p r s 采用分组交换技术，按流 量计费，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用； g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样；g p r s 理论带宽可达1 7 1 2k b s ， 实际应用带宽大约在4 0 1 0 0k b s ，在此信道上提供t c p 1 p 连接，可以用于i n t e m e t 连接、数据传输等应用；中国移动自2 0 0 2 年5 月18 日始正式商用g p r s 网络【5 j 。 1 3 2g p r s 无线通讯的应用 1 g p r s 中的w a p 应用 g p r s 与w a p 组合是当前令“手机上网 迈上新台阶的最佳实施方案：g p r s 是强大的底层传输，w a p 则作为高层应用，如果把w a p 比作飞驰的车辆，那么 g p r s 就是宽阔畅通的高速公路。 2 设备上的应用 第一章绪论 g p r s 可以在除蜂窝电话之外的多种设备中得以实现，包括膝上型电脑的 p c m c i a 调制解调器、个人数字助理的扩展模块和手提式电脑。当前流行的手提 式e m a i l 设备b l a c k b e r r y ( 黑莓) 的制造商r e s e a r c hi nm o t i o n ( r i m ) 与一个称 为m i c r o c e l lt e l e c o m m u n i c a t i o n s 的g s m 供应商合作，研究g p r s 用于其它无线 系统消息的传送。 3 g p r s 业务应用 自从首次实现文本信息传输以来，无线数据应用已经历了飞跃式的增长。已 经在2 0 0 0 年左右开启的通用分组无线业务g p r s ，作为迈向第三代个人多媒体 业务的重要里程碑，使得移动通信与数据网络合二为一，使i p 业务得以引入广 阔的移动市场。目前移动数据的市场中和用户群正在快速发展，其推动力量主要 是在移动领域中采用数据业务的商业市场。g s m 系统的分组移动数据通信( 即 g p r s ) 是基本分组无线业务，采用分组交换的方式，可以给g s m 用户提供移 动环境下的高速数据业务，还可以提供收发e m a i l 、i n t e r n e t 等功能。 4 g p r s 功能对应的业务应用 g p r s 是一种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接 入服务。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等 网络) 之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。 g p r s 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如 果把空中接口上的t d m a 帧中的8 个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高 可达1 6 4k b s 。g s m 空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被g p r s 数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为g p r s 专用信 道。 随着社会与经济的发展，各种管网( 热、水、电、油、煤气等) 越来越多，管 网测点数据的采集和及时传输是管网稳定、可靠运行的保证，要求计算机管网监 测系统必须能够在较低费用的前提下提供及时、准确的信息。然而，在使用的过 程中，传统有线、无线的管网监测系统的不足之处逐渐凸现出来。采用电话线传 输数据，不能保证实时性；采用无线电台，解决误码率和波特率的矛盾尤其抗干 扰是一个令人头疼的问题；采用专线电路，不可能对所有大面积分散的数据采集 子站进行专线铺设，更不能承担高昂的运行费用。 针对这些问题，通过采用成熟的g p r s c d m a 无线终端为远程数传模块， 依托稳定、可靠的g p r s c d m a 网络，在保证数据传输的及时、准确的前提下， 将管网现场监控系统运行费用也降低到了最低；同时通信链路是由专业的运营商 来维护，这就避免了用户在使用监控系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通 信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维护费用【6 】。通过无线网络为 4 第一章绪论 用户提供无线传输通道，解决有线网络难以建设的地区或地点的数据传输问题， 通信终端较有线网络具有移动性强等特点。很多现场环境恶劣或者人工抄表不便 的地方，也可采用无线数据传输。 总之，g p r s 除了能提供原有g s m 所能提供的功能外，还能提供很多非语 音移动服务，如动静态图像、网页浏览、互联网局域网邮件、汽车定位、局域网 远程登录、文件传送、家居自动化等，可以使很多企业和个人的应用得以实现【5 1 。 本课题将g p r s 无线通讯与电涡流式涡轮流量计相结合，设计出带有无线远 传功能的电涡流式涡轮流量计，可以将现场测得的瞬时流量、累积流量、仪表系 数、重复性等数据通过g p r s 系统上传到上位机。 1 4 课题研究的主要内容和创新点 本课题对于电涡流技术和g p r s 无线通讯技术进行了深入的研究，研制成功 了一种基于g p r s 无线通讯的机械磨损小、安装简单、工作可靠、稳定特性好的 电涡流式转速传感器，并将其应用到涡轮流量计中，进行了应用性研究，使涡轮 流量计的流量下限拓宽，能在更广泛的工作环境中得到应用。 课题有以下两个创新点： 1 运用电涡流传感器来检测涡轮流量计叶轮转速，成功研制了电涡流式涡 轮流量计，消除了磁芯吸力对小口径涡轮流量计性能的影响。 2 利用g p r s 无线通讯技术进行无线远传，并实现了g p r s 通讯技术和电 涡流式涡轮流量计的结合，设计出了带有无线远传功能的涡轮流量计。 1 5 论文组织结构 论文共分为六章。 第一章绪论部分，主要介绍了目前涡轮流量计的发展现状，电涡流技术的 发展概况，以及g p r s 通信技术的应用情况，并结合课题的研究背景阐述了本课 题的研究内容和意义。最后，介绍了课题的创新点和论文组织结构。 。 第二章介绍了涡轮流量计的原理及结构，先介绍了涡轮流量计的分类和特 点，然后介绍了工作原理和特性分析，并结合特性曲线加以分析。 第三章介绍了电涡流传感器的原理，并与涡轮流量计相结合设计了电涡流 式涡轮流量计，并给出了硬件电路图和实流测试数据。 第四章首先介绍了非线性修正的必要性，然后设计了硬件电路和编写了单 片机程序，并进行了实验测试。 第一章绪论 第五章介绍了g p r s 无线通讯技术的应用，设计了网关软件，并和电涡流 式涡轮流量计结合。 第六章对课题进行总结，提出了课题将来发展的建议。 6 第二章涡轮流量计原理及结构 第二蠢涡轮流量计原理及结构 涡轮流量计是一种速度式流量仪表，它以动量守恒原理为基础。流体冲击叶 轮，使叶轮旋转，叶轮的旋转速度随流量酌变化而变化，根据叶轮转速求出流量 值。在工业上，可采用涡轮流量计测量粘度较低的各种液体和气体的流量。这种 流量计具有测量精度高、量程范煎宽、线性好、脉冲输逝等优点【8 ，】。 如图2 。l 所示，涡轮流量计由涡轮流量传感器和接收电脉冲信号的显示仪表 组成。通过磁电转换装鬣将叶轮转速转换成电脉冲，送入二次仪表进行计数和显 示，震单位时间的脉冲数和累计脉冲数来反映瞬时流量和累计流量 7 1 。 变送器 图2 1 涡轮流量计的组成框图 2 1 涡轮流量传感器结构分类 1 ) 轴向型( 普通型) 叶轮轴中心与管道轴线重合，是t u f 的主要产品，有多种规格。 2 ) 切翔型 叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约9 0 度，适用于小口径 微流量测量，在大口径流量测量时也用到了插入式的切向型涡轮流量计。 3 ) 机械型 叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构，指示积算总量，测量精度比 电信号检测的传感器稍低，其传感器与显示装置是一体式的。 4 ) 井下专用型 适用于石油开采并下作业使用，测量介质有泥浆及油气流等，传感器体积受 限制，需耐高压、高温及流体冲击等。 5 ) 自校正双涡轮型 可用于天然气等气体流量测量，传感器由主、辅双叶轮组成，可由两叶轮的 转速差自动校正流量特性的变化。 7 第二章涡轮流量计原理及结构 6 ) 广粘度型 在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径，增加粘 度补偿翼及承压叶片等结构措施，使传感器适用于高粘度液体。 7 ) 插入型 插入型流量传感器由测量头、插入杆、插入机构、转换器及仪表表体等部分 组成【2 1 。 2 2 涡轮流量计特点 涡轮流量计多年来用于工业和实验室测量，并一直得到广泛的应用，其具有 如下主要特点2 1 6 】： ( 1 ) 测量精度高。涡轮流量计的测量精度是指示值的0 0 5 0 0 , - - 0 2 之间，在线 性范围内，即使流量发生变化，累计流量准确度也不会发生变化。 ( 2 ) 压力损失较小。在最大流量下其压力损失为o o l o 1m p a 。 ( 3 ) 流量测量范围宽。最大和最小流量比通常为6 ：1 到1 0 ：l ，故适用于流 量大幅度变化的场合。 ( 4 ) 重复性好。短期重复性可达0 0 5 - - , 0 2 。由于良好的重复性，经常校准 或在线校准即可得到很高的精度。 ( 5 ) 耐高压、耐腐蚀。由于具有较简单的外形且采用磁电感应结构，容易实 现耐高压设计，故可适用于高压管路液体的测量；采用抗腐蚀材料制造，使得流 量计耐腐蚀性能良好。 ( 6 ) 可获得很高的频率信号( 3 4l o - i z ) ，信号分辨能力强。通过传输线路不会 降低其精度，容易进行累积显示，易于送入计算机进行数据处理，无零点漂移， 抗干扰能力强。 ( 7 ) 结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。 ( 8 ) 专业性传感器类型多。可根据用户特殊需要设计各种专用型传感器，例 如低温型、双向型、井下型及混沙专用型等。 ( 9 ) 一般液体涡轮流量计不适用于测量较高粘度介质( 高粘度型除外) ，这是 因为随着粘度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。 ( 1 0 ) 流体的物理性质对仪表的特性有较大影响。气体流量计易受密度影响， 而液体流量计对粘度变化反应敏感。 8 第二章涡轮流量计原理及结构 2 3 涡轮流量计结构及工作原理 2 3 1 涡轮流量计结构 图2 2 涡轮流量传感器结构原理图 1 一壳体组件；2 - 前导向架组件；3 一叶轮组件；4 一后导向架组件； 5 一压紧圈；6 一带放大器的磁电感应转换器 1 ) 仪表壳体。仪表壳体一般采用不导磁的不锈钢或硬质合金制成，对于大 i = 1 径传感器亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构。壳体是传感器的主体部件，它 起到承受被测流体压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体内装有导流 器、叶轮、轴、轴承，壳体外壁安装有信号检测放大器。 2 ) 导流器。导流器通常也选用不导磁的不锈钢或硬铝材料制作，安装在传 感器进出口处，对流体起导向整流以及支承叶轮的作用，避免流体扰动对叶轮的 影响。 3 ) 涡轮。亦称叶轮，一般由高导磁性材料制成，是传感器的检测部件。它 的作用是把流体动能转换成机械能。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等 几种、亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频 率。叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视i ：1 径大小而定。叶轮几何 形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等 来设计。叶轮的动态平衡很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。 第二章涡轮流量计原理及结构 4 ) 轴与轴承。通常选用不锈钢或硬质合金制作，它们支承和保证叶轮自由 旋转。它需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐性等。它决定着传感器的 可靠性和使用寿命。 5 ) 信号检测放大器。国内常用信号检测放大器一般采用变磁阻式，由永久 磁钢、导磁棒( 铁心) 、线圈等组成。它的作用是把涡轮的机械转动信号转换成电 脉冲信号输出。由于永久磁钢对高导磁材料制成的叶片有吸引力而产生磁阻力 矩，对于小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项，因此直 接影响到了小流量的测量精度【3 j 。 2 3 2 涡轮流量计工作原理 涡轮流量传感器基于力矩平衡原理，当流体通过管道时，冲击叶片，使叶轮 产生驱动力矩，当驱动力矩大于流体阻力矩时，叶轮开始旋转。当流量一定时， 驱动力矩和阻力矩平衡，叶轮转速保持稳定。叶轮的旋转角速度一般都是通过安 装在传感器壳体外面的信号检测放大器根据磁电感应原理来测量转换的。叶轮上 均匀分布的叶片随叶轮转动，周期性的改变检测磁场的磁阻，从而引起磁通的变 化并产生脉冲信号，经前置放大器对信号进行放大和整形后产生脉冲信号输出， 送至二次显示仪表进行累计和显示。输出电脉冲与叶轮转速成正比，叶轮转速与 流量正相关，所以输出电脉冲频率与流过传感器的流量正相关 3 a 3 a 4 j 。 涡轮流量传感器的电脉冲信号的频率厂( 次秒) 与流过管道的体积流量g ， ( m 3 s ) 正相关时，其比例系数即为传感器的仪表系数k ( 1 m 3 ) ，如式( 2 1 ) 所示： 即 厂 k = 上 q v f q ，2 号 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 在同一时间内，传感器的脉冲数与流过管道的液体体积y ( m 3 ) 也成正 相关，其比例系统也为传感器的仪表系数k ( 1 m 3 ) ，如式( 2 3 ) 所示： t ? n = 一 矿 ( 2 3 ) 第二章涡轮流量计原理及结构 即 矿：型 k 根据( 2 2 ) 和( 2 - 4 ) 可以计算出液体的体积流量。 2 4 涡轮流量计特性分析 ( 2 4 ) 从理论上来说，要使涡轮流量计正常工作，其仪表系数k 必须是常数，即k 应不随流量吼的变化而变化，但实际上涡轮流量计的工作特性并非如此。为了分 析涡轮流量计的工作特性，需要建立涡轮流量计的数学模型，对作用在涡轮上的 各力矩进行分析，以便确定各种因素对涡轮流量计工作特性的影响。 通过分析各种力矩，根据牛顿运动定律写出涡轮运动方程为： ，等= r r 一乙一弓一疋 ( 2 5 ) 式中，涡轮的转动惯量； 缈涡轮的旋转角速度； 贮流体通过涡轮时对叶片产生的驱动力矩； 乙涡轮轴与轴承之间的机械摩擦阻力矩； 乙流体通过涡轮时对涡轮产生的流动阻力矩； 乙电磁转换器对涡轮产生的电磁阻力矩。 对于大口径涡轮流量计来说，大流量时的电磁阻力矩乙相对其他阻力矩来 说比较小，故影响基本可以忽略不计。但是对于小口径的磁阻式涡轮流量计来说， 电磁阻力矩乙就不可以忽略，尤其是在流量下限的时候影响更为明显。本设计 的电涡流式涡轮流量计就是为了消除电磁阻力矩的影响，从而改善小口径涡轮流 量计的性能。 在涡轮流量计正常工作的情况下，可认为叶轮以恒定的角速度旋转，这样就 有 瓦0 ，害= 。 ( 2 6 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) ，可得涡轮流量计在稳定工况下所受的合外力矩应为 第二章涡轮流量计原理及结构 零，即 z 一乙一乃= 0 ( 2 7 ) 在这3 个力矩中，机械摩擦力矩乙对于给定的流量可以近似认为是常数； 流体阻力矩弓与流动状态有关。因此，在理论模型中可以不给出乙和乃的具体 关系式。所以，首先要确定的是主动力矩z 。经过分析整理后的数学模型如下【3 1 ： 小2 = 7 万 【- t a 鲥n8 一南一磊 8 ， 式中z _ 涡轮叶片数； ，脉冲频率； 尸流体的密度； q v 体积流量； ，叶片的平均半径： 秒涡轮叶片与轴线夹角； 彳流通截面积。 虽然上面的数学模型是经过简化后得到的结果，但可用于定性的描述涡轮流 量计的基本特性。 通过简单的数学模型，就可得到涡轮流量计的理想特性。所谓理想特性，就 是假定涡轮流量计的叶轮处于匀速运动的平衡状态，并且机械摩擦阻力矩乙、 流体阻力矩乃均可忽略的条件下，仪表系数k 与流量g ，之间的关系。该关系表 达式如下： k ：上：三型 吼2 万lr fj ( 2 9 ) 由上式可见，理想特性仅与仪表结构有关，与流量变化无关，仪表系数k 为一常数。 对于实际的涡轮流量计，叶轮首先必须克服轴承的静摩擦力矩后才能转动。 我们将叶轮克服静摩擦力矩所需的最小流量值称为涡轮流量计的始动流量。当通 过流量计的流量小于始动流量值时，涡轮不转，无信号输出。 此外，流体介质密度越大，始动流量值也就越小。对此在测量流体流量时必 须注意温度对流体密度的影响。随着介质温度的变化，可能引起流量计特性曲线 第二章涡轮流量计原理及结构 的平移。 当流量大于始动流量值后，随着流量的增加，叶轮旋转角速度也将增大。以 后在测量范围内，流体产生的阻力矩将成为影响涡轮流量计特性的主要因素。相 对来说，由轴承间摩擦产生的机械阻力矩的影响就比较小了。 下面讨论始动流量的影响，以一个叶片受力分析为例【3 】： 假定流体的流速为n 流动方向为轴向，叶片与轴线夹角为占。如图2 3 所 示： i 因 扇矗 图2 3 涡轮受力分析图 首先来分析流体对叶片的作用： 因为流体的流速v 的大小和方向已知，所以将y 分解后，可得到切向速度 分量巧和径向速度分量圪。对叶片的作用可以忽略不计，圪对叶片的旋转起 主要作用。 k = v x s i n 秒 ( 2 1 0 ) 由圪产生的力五即为叶轮转动的推动力，可得： 六= p xq 。x 砭= p xq 。xv xs i n 秒 ( 2 11 ) 其中，p 为流体的密度； g 。为流体的流量。 只有正沿圆周方向的分力正2 才能产生使叶轮旋转的转矩，叶轮的转动是由 于受到五2 的作用，也就是说。 r l ，c o s 8 = p x q v x v x s i n p c 。s 秒( 2 - 1 2 ) = ( p x q ，v xs i n 2 8 ) 2 第二章涡轮流量计原理及结构 叶轮的驱动力矩i 是由五2 作用产生的，可得， 正z = e 厶办= 五：( 恐一足) ( 2 - 1 3 ) = ( p x q ，x v x s i n 2 g x a r ) 2 其中：r ，表示叶片底部到叶轮中心轴的距离5 r 2 表示叶片外边缘到叶轮中心轴的距离； 将式( 2 1 3 ) 带入涡轮传感器的稳态方程 中得到： i 一乙一砭一弓= 0 ( 2 1 4 ) ( p x q ，x v x s i n 2 0 x z x r ) 2 一乙一乇一乃= 0 ( 2 - 1 5 ) 而管道中的绝对流速v 可表示成： v = q 。s 其中：s 为管道的横截面积 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 5 ) 中得到涡轮流量计的流量为： ，2 xs x ( 乙+ 瓦 1 - 巧) “= 赢xs 羞i n 群xp z 移k 2 5 涡轮流量计特，性曲线图 ( 2 1 6 ) ( 删詈) ( 2 - 1 7 ) 由于在不同的流动状态下，流体产生阻力的机理不同，所以特性也不同。 在层流流动状态时，流体流动阻力与流体粘度y 、涡轮旋转角速度c o 成正比； 而涡轮角速度又与流体流量成正比。因此，令t , f = c w q ，由此得到如下关系式：1 k = 丢q = 三2 r e 警一旦r 2 p 爿q r j 协 ， l ， 1 4 第二章涡轮流量计原理及结构 由式( 2 - 1 8 ) 可见：在层流流动状态，仪表系数k 将随流量g 。的变化而变化， 若粘度不变，则随着流量吼的增加而增大；仪表系数k 还与流体粘度v 变化有关。 在紊流流动状态下，流体流动阻力与流体密度p 和流量g 。的平方成正比，此 时可忽略流体粘度的影响，乃= c 2 , o q 。2 ，c 2 为常数。据此得到如下关系式： k = 丢q = 三2 n 降一g 胡 协 ，l 厅2 吃j 由上式可见：在紊流流动状态下，仪表系数k 仅与仪表本身的结构参数有 关，而与流量g 一流体粘度y 等参数无关，可近似为一常数。只有在这种状态下， 仪表系数k 才真正显示了常数的性质。仪表系数k 为常数的这个区间，也就是 该流量计的流量测量范围。由于层流时流体阻力矩较紊流时要小一些，所以在层 流与紊流的交界点上，特性曲线上仪表系数k 会有一个峰值。该峰值的位置受 流体粘度的影响较大，流体粘度越大，该峰值的位置越向大流量方向移动。 通过上述分析，可作出涡轮流量计的k - q ，特性曲线，如图2 4 所示。图中 虚线为涡轮流量计的理想特性，若流量计具有这种特性，不论流量如何变化，总 可以使其瞬时流量、累计流量的误差为零。图中实线为一般涡轮流量计的特性曲 线的大趋势，在进入流量计测量范围( 即进入紊流流动状态) 以后，随流量的变 化其仪表系数k 也会有一点变化。 x 曩奄特性曲线 ：一，。 爪一一 f 一 宜际特佳趣线 q , , m d 一层燕区一 精藏区 图2 - 4 涡轮流量计特性曲线示意图【3 】 由图可见，仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段3 1 。线性段约为其工 作段的三分之二，其特性与传感器结构尺寸及流体粘度有关。在非线性段，特性 第二章涡轮流量计原理及结构 受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器下限时，仪表系数随 着流量降低而迅速减小。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。传感器的 仪表系数由流量标定装置检定得出，它完全不需要知道传感器内部流量的流动机 理，而把传感器作为一个黑匣子，根据输入流量和输出脉冲信号的频率确定其转 换系数，便于实际应用。但此仪表系数是有条件的，其检验条件是参考条件，如 果使用时偏离此参考条件，系数将发生变化，变化的条件将视传感器的类型，管 道的安装条件和流体的物性参数等情况而定。 因此，在设计涡轮流量计时，必须在其线性范围内测量，才能保证测量的准 确度。这里所说的线性范围，一般指仪表系数的变化值在士0 2 5 的范围内所对 应的流量范围。 第三章电涡流传感器的研究和设计 第三章电涡流传感器的研究和设计 3 1 电涡流传感器基本原理 根据电磁场【18 j 理论，当金属导体处于变化的磁场中时，其内部会感应出电流， 这些电流在导体内部形成闭合回路，呈漩涡状流动，因此称其为电涡流。理论分 析表明，电涡流的大小与金属导体的电阻率p 、相对磁导率、被测导体的厚度 b 、线圈激励信号频率c o 以及线圈与被测导体之间的距离x 等参数有关。若固定 其中的某些参数，就能根据电涡流的变化测量出另外的一个参数。电涡流传感器 是利用通电线圈与金属导体之间的电涡流互感效应，将位移、转速等非电量转换 为线圈阻抗或者电感的变化，从而进行非电量测量1 2 0 , 2 1 1 。电涡流传感器产生涡流 的基本原理如图3 1 所示。 图3 1 电涡流传感器原理 体 。当通有一定交变电流i ( 频率为力的检测线圈三靠近被测金属导体时，在 该金属导体的周围将产生交变磁场且，由于交变磁场凰不断变化，致使置于磁 场中的金属导体也产生感应电场，在金属表面将产生感应电涡流，根据电磁感应 理论，电涡流也将形成一个与交变磁场方向相反的磁场，并反作用于线圈， 从而引起线圈阻抗发生变化。金属导体距离线圈越近，电涡流的效应就越强烈， 线圈电感下降得就越多。同时，金属导体靠近通有高频电流的线圈时，由于存在 磁效应，会产生焦耳热以及磁滞损耗，造成交变磁场能量损耗，也会影响到线圈 的阻抗1 1 7 , 1 9 1 。 第三章电涡流传感器的研究和设计 3 2 电涡流径向分布及贯穿深度 一般运用电涡流传感器测量转速时，都需要考虑电涡流的径向分布，而线圈 尺寸的大小将直接影响被测导体上电涡流的径向范围。理论上电涡流的径向分布 可以通过麦克斯韦方程计算得到，但是在实际情况中，电涡流的分布并不均匀， 各处的涡流密度也不相同。涡流密度的径向分布比较复杂，一般通过分割实验法 等效成一个涡流环来计算。根据分割实验法，如图3 2 所示，将被测导体看成一 个环，设该环的径向宽度为c ，内径为，激励线圈的外半径为r ，被测金属导 体表面距离线圈中心轴，处的涡流密度为，距离线圈中心轴尺( 外径) 处的涡 流密度为j ，则电涡流的径向分布如图3 3 所示。o 图3 2 分割实验法等效涡流环 r r 图3 - 3 电涡流径向范酬4 由上图可见，电涡流径向范围随线圈外径大小变化而变化，并与线圈外径成 固定的比例关系。在r 0 2 r 处电涡流基本为零；随着，- 的增大，涡流密度也增大， 在对应激励线圈外径凡处达到最大值，然后随着，的增大而减小；在，1 8 尺处， 电涡流衰减很快并逐渐趋于掣1 9 ，2 1 1 。 对于贯穿深度可以用电磁波入射到半无限大平面来进行处理，根据麦克斯韦 第三章电涡流传感器的研究和设计 方程及边界条件，可以列写出方程【2 胡： 得： 式中胃磁场强度； ，一电流； 胁一真空磁导率； 藏被测体磁导率。 解( 3 。2 ) 式得： 上式中： v