雙流束熱量表的流量測量技術研究
作者：山東大學 杜廣生 劉正剛 郭蘭蘭 王寧 林勤春
摘要： 提出了基于流體力學原理的熱量表基表進水口導流片，形成雙流束流動方案,調整水流方向、推動葉輪按預定方向旋轉，在葉輪式頂蓋徑向位置設置調節筋條，來調節基表脈沖當量的新方法；開發了專用流量芯片TMS3723B的控制程序，實現了流量信號的準確、可靠采集。對相關研究具有重要的指導作用。
關鍵詞：雙流束 熱量表 無磁式
1. 引言
我國熱量表技術較國外先進水平還有較大的差距。從國產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現狀看，由于多采用進口微處理器，積算儀的有關問題得到了較好的解決。溫度測量多采用技術較成熟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到熱量表的流量技術要求，因此開發精度高、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問題進行分析探討，提出了“導流片”分流和葉輪室頂蓋設置“調節筋條”調節當量脈沖的新方法，得到了很好的效果。
2.單流束基表設計的技術方案
傳統的單流束基表結構如圖1所示，為了保證葉輪按一定的方向旋轉，其進水口和出水口往往偏心設置，并在一定的部位設置當量脈沖的調整部件。這種結構存在以下弊端，首先進水口和出水口的偏心設置，給機械加工帶來一定的難度，在加工進、出水口時，由于偏心設置，給工件的裝夾、找正帶來不便，費時費工，效率低下；同時給外形設計造成一定的困難，難以設計出美觀的外形。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 傳統的單流束基表結構示意圖
為了消除上述弊端，本研究對熱量表基表進行了全新設計。其結構如圖2所示，為便于加工，將進、出水口設計在一條直線上，這種設計給工件加工帶來很大的方便，便于保證精度，大大提高機加工效率。和傳統基表相比，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，葉輪式底座進水口和出水口與表殼的進水口、出水口有一定的夾角，同時在進水口處設置一三角形的導流片。為了調節脈沖當量，在葉輪式上蓋朝向葉輪的一面設置一橫向筋條，通過調整筋條和基表進、出水口軸線之間的夾角，達到調節脈沖當量的目的。
圖3 葉輪式底座
3.基表內部水流特性的分析
熱量表工作時水流從基表進水口經整流隔柵進入基表，在葉輪室底座入口處由導流片分流成兩股，分別從兩個通道進入葉輪室。水流在葉輪室內產生旋轉運動，推動葉輪旋逆時針旋轉，之后依次經葉輪室出口、基表出口流出。本設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置的三個電感在葉輪旋轉時產生振蕩信號來實現的。
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性方程可知，過流面積和流速成反比，進入收縮流道的水流速度V1將增大，而進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；收縮通道提高了進入腔體的水流速度，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，如果基表中不設此導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，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方向至關重要，該設計依靠兩通道出口的壓強差使水流在基表腔體內沿逆時針方向流動。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。
最初設計的葉輪室及導流片形狀如圖3，導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，在進行85℃熱水試驗后，導流片變形受損，因此，必須加以改進。改進從兩個方面著手，一是更換耐高溫的材料，再就是改變導流片的幾何形狀。
導流片的改進示意圖見圖4。改進前的導流片橫截面為三角形ABC，改進后為五邊形AAB’BC。A’，B’比A、B兩點向中心線方向偏移2°。如此改動之后導流片的橫截面積增大，厚度增加，強度也必然相應提高。同時，導流片靠近中心線一側傾斜角度減小，改變了收縮通道的形狀，流經此通道的水流流動情況相應的會發生變化。
圖4 導流片改進示意圖
導流片截面積加大，收縮通道變窄，由連續性條件知，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，在導流片頂端平面加一小圓柱體擋頭，可以起到加固導流片的作用，增強其承受水流沖擊力的能力。改進后的導流片經實驗證明，高溫時大流量下，導流片也不會發生變形，可保證基表的正常工作。
為了進一步改善基表的性能，對葉輪的材料也進行了改進。原設計葉輪材料采用的是PPS，改用尼龍66＋玻璃纖維，改進后葉輪重量減輕，其與軸承間的摩擦阻力相應減小，通過對基表以上綜合改進，基表的始動流量減小，脈沖當量增加明顯。試驗結果表明，始動流量值由原來的16L/h降低為10L/h左右。脈沖當量增大8％左右，大大改善了及表的性能。
為了保證基表間當量脈沖一致，以往基表往往在不同的部位設置調節部件，以調整脈沖當量的大小，為了簡化設計、改善工藝性，本研究在葉輪室頂蓋下面的徑向位置上設置筋條，如圖5所示。通過調整筋條和水流方向之間的夾角β，來改變脈沖當量的大小。實驗表明這一方法對調節基表脈沖當量十分靈敏、有效。該方法與傳統的其它方法相比，具有結構簡單，工藝性好、易于調節的優點。
圖5 調節筋條示意圖
4.流量信號的采集
傳統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的流量芯片，被廣泛應用于歐洲熱量表產品。它的內部有12個控制寄存器和13個數據寄存器，通過向控制寄存器中寫入數據可以實現對采樣頻率、比較器比較電壓、中斷方式、時鐘信號源、電感的開啟和關閉等項目的控制，讀出數據寄存器中的內容可以知道各個電感的狀態、葉輪旋轉圈數、葉輪旋轉方向等信息。
實際在熱量表中使用TMS3723B主要是讀取1/4旋轉寄存器和電感狀態寄存器中的內容。當葉輪旋轉一圈時1/4旋轉寄存器中的數據加4，當1/4旋轉寄存器中的數據讀出后可自動清0。只要定期讀取1/4旋轉寄存器中的內容，就可以計算出在這一時間間隔內的葉輪轉速。電感狀態寄存器中保存當前電感的狀態等信息，通過讀取電感狀態寄存器中的數據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并計數的。
流量傳感器由3個電感線圈構成，它們在旋轉軌道上間隔90度均勻分布，其下部為葉輪，葉輪頂面在半圓區域內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電路產生逐漸衰減的正弦信號，比較器把衰減的正弦信號轉換成數字脈沖，只要輸入電壓高于設定的內部值,脈沖就將持續高值。
無阻尼振蕩 阻尼振蕩
圖6無阻尼和有阻尼振蕩波形
2.當電感位于阻尼材料處時，由于會在阻尼材料中感應出電流，正弦信號的衰減速度會加快，電感處于有阻尼狀態。相反當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。TMS3723B芯片通過內部的比較器可判斷出這兩種狀態。兩種狀態的波形如圖6所示。
當葉輪旋轉時，三個電感依次在有阻尼狀態和無阻尼狀態之間切換，TMS3723B判斷各個電感的狀態，寫入相應的狀態寄存器中。每旋轉一圈，TMS3723B內的1／4旋轉計數器加4。微處理器定時讀取TMS3723 中的數據，并根據這些數據計算出流量。
5. 結 論
本研究提出了利用流體力學原理在基表進水口設置導流片來改變水流方向、形成對葉輪有效沖擊的新方法。且通過調整導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置調節筋條、來調整基表脈沖當量的新方法，該方法較其它傳統方法簡便有效。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確、可靠。實驗檢測表明，通過以上綜合措施，本研究開發的熱量表基表，整體性能達到國家標準的相關要求，達到國外同類產品的先進水平。
參考文獻
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