摘要： 提出了基于流體力學(xué)原理的熱量表基表進(jìn)水口導(dǎo)流片，形成雙流束流動方案,調(diào)整水流方向、推動葉輪按預(yù)定方向旋轉(zhuǎn)，在葉輪式頂蓋徑向位置設(shè)置調(diào)節(jié)筋條，來調(diào)節(jié)基表脈沖當(dāng)量的新方法；開發(fā)了專用流量芯片TMS3723B的控制程序，實現(xiàn)了流量信號的準(zhǔn)確、可靠采集。對相關(guān)研究具有重要的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：雙流束 熱量表 無磁式
1.引言
我國熱量表技術(shù)較國外先進(jìn)水平還有較大的差距。從國產(chǎn)熱量表的三個重要組成部分積算儀、流量傳感器和溫度測量技術(shù)現(xiàn)狀看，由于多采用進(jìn)口微處理器，積算儀的有關(guān)問題得到了較好的解決。溫度測量多采用技術(shù)較成熟PT1000鉑電阻，也得到較好的解決。目前問題較多的是流量測量部分，國產(chǎn)熱量表基表多采用原有熱水表，其測量精度和可靠性難以達(dá)到熱量表的流量技術(shù)要求，因此開發(fā)精度高、工作可靠的熱量表基表，是目前熱量表研制的重要課題。本文對熱量表單流束基表技術(shù)問題進(jìn)行分析探討，提出了“導(dǎo)流片”分流和葉輪室頂蓋設(shè)置“調(diào)節(jié)筋條”調(diào)節(jié)當(dāng)量脈沖的新方法，得到了很好的效果。
2.單流束基表設(shè)計的技術(shù)方案
傳統(tǒng)的單流束基表結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了保證葉輪按一定的方向旋轉(zhuǎn)，其進(jìn)水口和出水口往往偏心設(shè)置，并在一定的部位設(shè)置當(dāng)量脈沖的調(diào)整部件。這種結(jié)構(gòu)存在以下弊端，首先進(jìn)水口和出水口的偏心設(shè)置，給機械加工帶來一定的難度，在加工進(jìn)、出水口時，由于偏心設(shè)置，給工件的裝夾、找正帶來不便，費時費工，效率低下；同時給外形設(shè)計造成一定的困難，難以設(shè)計出美觀的外形。再者，以往熱量表基表多采用原有的單流束熱水表，由于價格等因素的制約，其設(shè)計精度、材料的使用等存在較多的問題，其精度難以滿足熱量表流量檢測精度的要求。
圖1 傳統(tǒng)的單流束基表結(jié)構(gòu)示意圖
為了消除上述弊端，本研究對熱量表基表進(jìn)行了全新設(shè)計。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了便于加工，將進(jìn)、出水口設(shè)計在一條直線上，這種設(shè)計給工件加工帶來很大的方便，便于保證精度，可大大提高機加工效率。和傳統(tǒng)基表相比，增加了葉輪式底座，底座和金屬表殼過盈配合，葉輪室上蓋和底座采用耐高溫的PPS制作，可保證熱水長時間浸泡不致發(fā)生變形，以保證熱量表工作的可靠性。
圖2 新型單流束基表
1－表殼底座 2－葉輪室底座
3－整流隔柵 4－葉輪
5－葉輪室上蓋 6－表殼蓋
7－擋塊 8－半圓膜片
9－剛玉 1 0－軸套
葉輪式底座的俯視形狀如圖3所示，為了保證水流對葉輪葉片有一定的沖擊角度和水流順利流出基表，葉輪式底座進(jìn)水口和出水口與表殼的進(jìn)水口、出水口有一定的夾角，同時在進(jìn)水口處設(shè)置一三角形的導(dǎo)流片。為了調(diào)節(jié)脈沖當(dāng)量，在葉輪式上蓋朝向葉輪的一面設(shè)置一橫向筋條，通過調(diào)整筋條和基表進(jìn)、出水口軸線之間的夾角，達(dá)到調(diào)節(jié)脈沖當(dāng)量的目的。
圖3 葉輪式底座
3.基表內(nèi)部水流特性的分析
熱量表工作時水流從基表進(jìn)水口經(jīng)整流隔柵進(jìn)入基表，在葉輪室底座入口處由導(dǎo)流片分流成兩股，分別從兩個通道進(jìn)入葉輪室。水流在葉輪室內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，推動葉輪旋逆時針旋轉(zhuǎn)，之后依次經(jīng)葉輪室出口、基表出口流出。本設(shè)計中所采用了無磁式流量傳感方式，就是通過葉輪室上蓋上方設(shè)置的三個電感在葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振蕩信號來實現(xiàn)的。
由圖3可見，葉輪室入口的收縮流道截面積A1沿水流方向逐漸減小，而擴張流道截面積A2逐漸增大，由不可壓縮流體的連續(xù)性方程可知，過流面積和流速成反比，進(jìn)入收縮流道的水流速度V1將增大，而進(jìn)入擴張流道的水流速度V2將減小。由伯努利方程可以得到，V1減小，p 1增大，V2增大，p2減小，如此從兩個通道進(jìn)入葉輪室的水流之間就存在壓強差 ，此壓強差將推動水流向壓強小的方向流動，從而推動葉輪逆時針旋轉(zhuǎn)；收縮通道提高了進(jìn)入腔體的水流速度，增大其動量，在微小流量時，葉輪受軸與軸承之間摩擦阻力的影響較大，如果基表中不設(shè)此導(dǎo)流片而是一個單一通道，水流更易直接從葉輪間隙流過，而不推動葉輪旋轉(zhuǎn)，從而使始動流量值增大。
由上述分析可知，在流動初始時刻，兩通道的幾何形狀對決定葉輪旋轉(zhuǎn)方向至關(guān)重要，該設(shè)計依靠兩通道出口的壓強差使水流在基表腔體內(nèi)沿逆時針方向流動。第二通道出口水流速度V2大于第一通道出口速度V1,并且偏轉(zhuǎn)的角度較V1更大，這種流動機制決定了水流開始流動時葉輪必須沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。
最初設(shè)計的葉輪室及導(dǎo)流片形狀如圖3，導(dǎo)流片前端靠近葉輪室外徑處是一尖角，其與中心連線和橫軸的夾角為8度，在進(jìn)行85℃熱水試驗后，導(dǎo)流片變形受損，因此，必須加以改進(jìn)。改進(jìn)從兩個方面著手，一是更換耐高溫的材料，再就是改變導(dǎo)流片的幾何形狀。
導(dǎo)流片的改進(jìn)示意圖見圖4。改進(jìn)前的導(dǎo)流片橫截面為三角形ABC，改進(jìn)后為五邊形AAB’BC。A’，B’比A、B兩點向中心線方向偏移2°。如此改動之后導(dǎo)流片的橫截面積增大，厚度增加，強度也必然相應(yīng)提高。同時，導(dǎo)流片靠近中心線一側(cè)傾斜角度減小，改變了收縮通道的形狀，流經(jīng)此通道的水流流動情況相應(yīng)的會發(fā)生變化。
圖4 導(dǎo)流片改進(jìn)示意圖
導(dǎo)流片截面積加大，收縮通道變窄，由連續(xù)性條件知，此處水流速度必然增大，水流就會以更大的動量沖擊葉輪。另外，在導(dǎo)流片頂端平面加一小圓柱體擋頭，可以起到加固導(dǎo)流片的作用，增強其承受水流沖擊力的能力。改進(jìn)后的導(dǎo)流片經(jīng)實驗證明，高溫時大流量下，導(dǎo)流片也不會發(fā)生變形，可保證基表的正常工作。
為了進(jìn)一步改善基表的性能，對葉輪的材料也進(jìn)行了改進(jìn)。原設(shè)計葉輪材料采用的是PPS，改用尼龍66＋玻璃纖維，改進(jìn)后葉輪重量減輕，其與軸承間的摩擦阻力相應(yīng)減小，通過對基表以上綜合改進(jìn)，基表的始動流量減小，脈沖當(dāng)量增加明顯。試驗結(jié)果表明，始動流量值由原來的16L/h降低為10L/h左右。脈沖當(dāng)量增大8％左右，大大改善了及表的性能。
為了保證基表間當(dāng)量脈沖一致，以往基表往往在不同的部位設(shè)置調(diào)節(jié)部件，以調(diào)整脈沖當(dāng)量的大小，為了簡化設(shè)計、改善工藝性，本研究在葉輪室頂蓋下面的徑向位置上設(shè)置筋條，如圖5所示。通過調(diào)整筋條和水流方向之間的夾角β，來改變脈沖當(dāng)量的大小。實驗表明這一方法對調(diào)節(jié)基表脈沖當(dāng)量十分靈敏、有效。該方法與傳統(tǒng)的其它方法相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好、易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點。
圖5 調(diào)節(jié)筋條示意圖
4.流量信號的采集
傳統(tǒng)的流量信號采集方案多為有磁式，具有抗干擾能力差，永久性磁鐵退磁和含鐵性雜質(zhì)易吸附等缺點。本研究采用無磁式傳感器方案，具體電路方案為TMS3723B方案。
TMS3723B是美國德州儀器公司生產(chǎn)的流量芯片，被廣泛應(yīng)用于歐洲熱量表產(chǎn)品。它的內(nèi)部有12個控制寄存器和13個數(shù)據(jù)寄存器，通過向控制寄存器中寫入數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對采樣頻率、比較器比較電壓、中斷方式、時鐘信號源、電感的開啟和關(guān)閉等項目的控制，讀出數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容可以知道各個電感的狀態(tài)、葉輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、葉輪旋轉(zhuǎn)方向等信息。
實際在熱量表中使用TMS3723B主要是讀取1/4旋轉(zhuǎn)寄存器和電感狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)一圈時1/4旋轉(zhuǎn)寄存器中的數(shù)據(jù)加4，當(dāng)1/4旋轉(zhuǎn)寄存器中的數(shù)據(jù)讀出后可自動清0。只要定期讀取1/4旋轉(zhuǎn)寄存器中的內(nèi)容，就可以計算出在這一時間間隔內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)速。電感狀態(tài)寄存器中保存當(dāng)前電感的狀態(tài)等信息，通過讀取電感狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)可以判斷電感是否存在故障。下面簡要說明一下TMS3723B是如何判斷電感狀態(tài)并計數(shù)的。
流量傳感器由3個電感線圈構(gòu)成，它們在旋轉(zhuǎn)軌道上間隔90度均勻分布，其下部為葉輪，葉輪頂面在半圓區(qū)域內(nèi)涂附了用蒸汽處理過的阻尼材料。
每個電感均和電容組成LC振蕩電路，由TMS3723B定期對LC電路充放電以使LC電路產(chǎn)生逐漸衰減的正弦信號，比較器把衰減的正弦信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖，只要輸入電壓高于設(shè)定的內(nèi)部值,脈沖就將持續(xù)高值。
無阻尼振蕩 阻尼振蕩
圖6無阻尼和有阻尼振蕩波形
當(dāng)電感位于阻尼材料處時，由于會在阻尼材料中感應(yīng)出電流，正弦信號的衰減速度會加快，電感處于有阻尼狀態(tài)。相反當(dāng)電感位于無阻尼材料處時，正弦信號的衰減速度較慢，電感處于無阻尼狀態(tài)。TMS3723B芯片通過內(nèi)部的比較器可判斷出這兩種狀態(tài)。兩種狀態(tài)的波形如圖6所示。
當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，三個電感依次在有阻尼狀態(tài)和無阻尼狀態(tài)之間切換，TMS3723B判斷各個電感的狀態(tài)，寫入相應(yīng)的狀態(tài)寄存器中。每旋轉(zhuǎn)一圈，TMS3723B內(nèi)的1／4旋轉(zhuǎn)計數(shù)器加4。微處理器定時讀取TMS3723 中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出流量。
5. 結(jié) 論
本研究提出了利用流體力學(xué)原理在基表進(jìn)水口設(shè)置導(dǎo)流片來改變水流方向、形成對葉輪有效沖擊的新方法。且通過調(diào)整導(dǎo)流片的幾何形狀和尺寸提高了基表檢測精度，降低了始動流量，改善了基表的機加工工藝。提出了在葉輪室頂蓋徑向設(shè)置調(diào)節(jié)筋條、來調(diào)整基表脈沖當(dāng)量的新方法，該方法較其它傳統(tǒng)方法簡便有效。采用美國德州儀器TMS3723B專用流量芯片，保證了基表流量信號的采集準(zhǔn)確、可靠。實驗檢測表明，通過以上綜合措施，本研究開發(fā)的熱量表基表，整體性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。
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The flux measure technique discuss of single-stream heat meter for domestic use
Du Guang-sheng Liu Zheng-gang Guo Llan-lan
Wang Ning Lin Qin-chun
(Shandong University, Jinan 250061)
Abstract: a new scheme using the hydromechanics theory of setting up a leading-flake in the inlet of the flowmeter to adjust the flow direction, therefore, to push the impeller rotate in a predetermined direction, and adjust the impulse equivalent of the flowmeter by adding ribs on the coping of the impeller chamber was proposed. Developed a special control program of flux chip TM3723B, and realized the accurate and credible collection of flux signal .it is useful to the relative research.
Keyword: heat meter flux single-stream
