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双涡轮轻质油品光纤质量流量测量原理分析
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摘要 本文阐述了一种双涡轮光纤质量流量传感器的研制内容,包括基本结构、工作原理、动量矩理论模型及实现方法。

主题词 流量测量 涡轮 质量流量计 光纤传感器 理论模型

一. 引言

以质量流量为基础的工业测量,以质量结算的贸易和分配计划,目前主要的手段是用体积流量辅以密度来实现。随着质量流量测量技术的发展,为了提高生产效率和经济效益,石油、化工、能源等部门纷纷采用质量流量测量仪表。据资料统计,自80年代后期,质量仪表发展速度已超过传统仪表,质量流量测量亦成为新一代的计量、测量手段。本文应用动量矩直接质量流量测量原理,研制了光纤磁敏传感器,提出了双涡轮光纤质量流量测量方法,具有结构简单、造价低等特点,适用于轻质易燃易爆流体的质量流量测量。

二. 结构及工作原理

双涡轮光纤质量流量计依据动量矩原理设计,基本结构如图1所示,其传感器设计为磁感应强度调制位移型光纤传感器。两个安装角不同的涡轮被强簧连接在一个弹性体上,置于流量计的壳体中,在壳体上设置两个信号检测传感器;在液体流过时由于两个涡轮叶片的安装角不同,驱动力矩不同,力矩差使弹簧产生扭转。扭转角所形成的位移差与质量流量成比例关系。光纤传感器检测位移差并由二次仪表信号处理变换成质量流量。其基本的做法:将小块的永久磁铁嵌入涡轮叶片,在管道外壳安装光纤磁敏传感器,当叶片转动,磁铁处于光纤传感器正下方时,输出光脉冲信号。光脉冲信号通过光纤传入到安全距离以外的二次仪表中,经电路信号处理就可以得到涡轮转速和两个涡轮叶片之间相位差。当涡轮结构一定时,容积流量正比于涡轮的转速,两个涡轮叶片的相位差正比于质量流量。

三. 理论分析

当双涡轮流量计的涡轮以恒定的角速度ω旋转时,作用在涡轮叶片上的各种力矩达到平衡。其中,涡轮1的力矩平衡方程为:

(1)

式中:Td----作用在涡轮的驱动力矩
Th----涡轮轮毂表面阻力矩
Tb----轴承阻力矩
Tt----叶片预隙阻力矩
Tw----涡轮轮毂端面阻力矩
Tsp----弹簧扭力矩

信号读出装置所产生的阻力矩通常很小,上式中未计入。
同理,涡轮2的力矩平衡方程为


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