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磁浮型涡轮流量计的特点、结构和原理
发布日期:2018/9/3 9:33:15
涡轮流量计具有确度高(可达±0.25%)、范围宽度(10:1)、惯性小(毫秒级)、耐压高(可达10MPa)、输出信号为频率倌号、容易实现流量积算和定量控制、信号传输距离大等优点而被广泛使用。但是,由于涡轮流量计在工作时涡轮的转速很高,轴承又不能润滑,所以轴承的磨损很快、轴承的寿命很短。这是涡轮流量计的致命弱点,它限制了涡轮流量计的广泛使用。为了解决这个问题,我们采用磁浮轴承代替滚珠轴承,改旋转叶轮形式为旋转叶轮圈形式,使叶轮圈悬浮在流量计的内径中,由于叶轮圈旋转时与其它部位无接触,所以不存在摩擦损耗,磁浮型涡轮流量计的使用寿命基本上取决于驱动电磁线圈的半导体功率模块。半导体功率模块的正常使用寿命大于10000小时,并且半导体功率模块作为流量计的个外部部件,拆卸掉换都很方便。只要定期更换外部的半导体功率模块,涡轮流量计就能长期
工作。
一、结构和原理
磁浮型涡轮流量计的结构如下图所示。

图的正中间是叶轮圈,它在上下左右四个电磁线圈的作用下悬浮在流量计的内径中间。止推磁轴承的作用是保证叶轮圈能承受被测流体的推力。实际的磁浮型流量计的电磁线圈不止四个,为了简明起见只画了四个电磁线圈。根据间隙传感器的检测信号,位于功率模块中的控制器实时地调整各个线圈电流的大小,从而使叶轮圈始终处于流量计的内径中间。由于旋转体叶轮圈与管径内壁无接触,不存在任何磨擦力矩,因此,没有普通涡轮流量计存在的起始死区。当叶轮在被测流体推动下转动时,叶轮圈上的永磁体也随着转动,当它经过霍尔接近开关下面时便产生一个脉冲信号。脉冲的频率与叶轮圈的转速成正比,而叶轮圈的转速则与被测流体的流速成正比。涡轮流量计的叶轮在被测流体的推动下产生旋转运动,其运动方程为
式中J—叶轮的惯性矩
ω——叶轮的转动角速度
Md推动叶轮的主动力矩
Mi,—流体对叶轮的摩擦力矩
Mt,——叶轮轴承的摩擦力矩
Mg—电磁转换器作用于叶轮上的电磁反应力矩
M和M使得涡轮流量计在被测流体流速低时非线性严重。磁浮型涡轮流量计由于不存在M和M,因而在被测流体流速低时也有较好的线性度。影响磁浮型流量计线性度的因素仪是被测流体的粘度。从这一点来说,磁浮型涡轮流量计和普通涡轮流量计的适用范围是一样的。
二、模拟实验
我们在文献(2)的基础上对模拟实验装置加以改装后进行了模拟实验,由于实验条件所限,以排气扇排出的气流作为被测流体,在此气流的推动下叶轮圈的转速曾达到1200转。改变气流推动的角度,使其偏离轴线30°,叶轮圈仍能平稳的转动。
三、结论
对于磁浮轴承在涡轮流量计上的应用,我们作了初步的尝试,理论分析和模拟试验表明,磁浮型涡轮流量计的使用寿命与金属的强度没有多大关系,在不更换半导体功率模块的条件下,其寿命约为普通涡轮流量计的三倍。另外,磁浮型涡轮流量计对金属材料和机械加工的要求要比普通涡轮流量计低。虽然磁浮型涡轮流量计在结构上增加了磁力控制和间隙检测部分,成本有所提高,但是将机加工费用、维护费用的降低和使用寿命的提高综合起来考虑,总成本是下降的,因此,磁浮型流量计的实用化是很有希望的。