摘要:我國(guó)天然氣資源豐富，智能氣體渦輪流量計(jì)一直是作為天燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的首選。本文論述氣體渦輪流量計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的幾點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化了氣體渦輪流量計(jì)的曲線，捉高了氣體渦輪流量計(jì)的可靠。
1前言
國(guó)際上,天然氣的計(jì)量都是使用氣體渦輪流量計(jì)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。我國(guó)天然氣資源非常豐富，為減少煤氣對(duì)城市大氣和環(huán)境的污染和破壞。我國(guó)長(zhǎng)期規(guī)劃要限制并減少人工煤氣的使用，增加城市管道用氣中天然*氣所占的比重,我國(guó)目前已經(jīng)完成了“陜氣進(jìn)京”、“西氣東輸”等工程，現(xiàn)如今天然氣在我國(guó)已經(jīng)大面積普及，大然氣計(jì)量?jī)x表將大量使用，我國(guó)天然氣資源大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用使氣體渦輪流量計(jì)獲得廣闊的發(fā)展空間和經(jīng)濟(jì)效益。開(kāi)發(fā)氣體渦輪流量計(jì)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。筆者單位研發(fā)的智能氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器制作、潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)讓,是集溫度、壓小流量傳感器和智能流量積算儀于一體的智能儀表。它具有精度高、技術(shù)成熟穩(wěn)定、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是檢測(cè)氣體計(jì)量和城市燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的理想儀表。
2.工作原理
智能氣體渦輪流量計(jì)通過(guò)測(cè)量渦輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩?jì)算氣體的流速，將渦輪轉(zhuǎn)速換算成與流量成正比的輸出電信號(hào)。智能氣體渦輪流量計(jì)檢測(cè)天然氣瞬時(shí)流量和總的積算流量,終端輸出信號(hào)為頻率，容易被數(shù)字化。永久磁鐵、感應(yīng)線圈都固定在儀表殼體上。當(dāng)鐵磁性渦輪葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)過(guò)磁鐵磁場(chǎng)時(shí)，磁阻產(chǎn)生變化，輸出感應(yīng)信號(hào)。信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大器被放大及整形，傳輸給頻率計(jì)或計(jì)數(shù)器，得到總.的積算流量。與此同時(shí)，將脈沖信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換器(頻率一電壓)換算成瞬時(shí)流量�？傊�,葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)和氣體流量成正比。智能氣體渦輪流量計(jì)的輸出的是頻率調(diào)制式信號(hào),提高了檢測(cè)電路的抗干擾性和簡(jiǎn)化了流量檢測(cè)系統(tǒng)，其外形圖如圖1所示。
3動(dòng)壓氣體軸承
氣體渦輪流量計(jì)中用來(lái)支撐葉輪的主軸承通常是油潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承，有很多缺點(diǎn)。使用一款螺旋槽氣體軸承,得到的氣體渦輪流量計(jì)性能好，耐用。
氣體潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)是氣體潤(rùn)滑相對(duì)油潤(rùn)滑其粘度小對(duì)溫度的適應(yīng)性好、清潔無(wú)污染、壽命長(zhǎng)。
(1)粘性小
相對(duì)于油潤(rùn)滑來(lái)講氣體潤(rùn)滑在5~15℃環(huán)境下粘度約為油潤(rùn)滑的千分之一，氣體潤(rùn)滑的摩擦力為油潤(rùn)滑的千分之一;溫度在20C以上時(shí)上升至80℃其年度只增加16%，比相同條件下油潤(rùn)滑好很多;而且氣體有均勻化作用，從而用氣膜潤(rùn)滑的軸承精度比油膜潤(rùn)滑的軸承精度高1個(gè)數(shù)量級(jí)。
(2)適應(yīng)性良好
油潤(rùn)滑軸承在溫度非常高或者非常低的情況下就不工作了,而氣體潤(rùn)滑的軸承即使在高低溫時(shí)，工作性能佳,而且氣體潤(rùn)滑不受原子輻射的影響;由于空氣有獨(dú)留,高溫對(duì)其影響非常小。
(3)環(huán)保清潔
氣體完成潤(rùn)滑作用排放后，不會(huì)污染環(huán)境;而且在排氣時(shí)還能阻止灰塵進(jìn)入儀表,起到清潔的作用，氣體潤(rùn)滑無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音。
(4)壽命長(zhǎng)
氣體軸承在使用時(shí)，沒(méi)有金屬結(jié)構(gòu)直接接觸，所以壽命更長(zhǎng)。
動(dòng)壓氣體軸承設(shè)計(jì)有螺旋槽，在高速下承載能力大時(shí)，能耗低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)最大穩(wěn)定性優(yōu)化的螺旋槽氣壓軸承，儀表穩(wěn)定性非常好,而其承載能力最多損失77%,因此本文選用按最大穩(wěn)定性原則設(shè)計(jì)。
根據(jù)窄槽設(shè)計(jì)原理,應(yīng)用最大穩(wěn)定性原則:當(dāng).氣體渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)速在4500r/min以上時(shí)，其最大穩(wěn)定載荷會(huì)5N左右，所以正常工作速度比較大的氣體渦輪流量計(jì)的主軸承完全可以用螺旋槽氣壓潤(rùn)滑軸承。
4導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
導(dǎo)流器對(duì)被測(cè)流體起導(dǎo)向、壓縮、整流等作用，這樣當(dāng)氣體通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)處于層流狀態(tài)下，減少旋渦和紊流生成的漩渦對(duì)流量計(jì)的影響，提高儀表正確率。前導(dǎo)流器的前側(cè)，設(shè)計(jì)又一-圈的分布在圓周的整流葉片，將氣體通道分隔，變成幾個(gè)小的通道。如圖2所示，這時(shí)也輪出口的流體流動(dòng)穩(wěn)定，防止漩渦;在整流葉片的出口處尾端和葉輪中間環(huán)狀區(qū)域是環(huán)狀區(qū)域，稱為混合室。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化了氣體渦輪流量計(jì)的特性曲線。結(jié)論是長(zhǎng)葉片的重復(fù)性、線性度、壓力損失都不好，而且在流量增.加是，短葉片在壓力損失方面的優(yōu)越性體現(xiàn)的更加明顯。導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
5多參數(shù)傳感器
氣體渦輪流量計(jì)所采用的磁敏傳感器是基于硅橋和鐵磁體的新型MEMS磁敏傳感器，根據(jù)鐵磁體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的扭矩和硅橋的耦合作來(lái)反映磁場(chǎng)。這種磁敏傳感器和IC.工藝的兼容性非常好、適合成批量生產(chǎn)，體積小、成本低、功耗低、穩(wěn)定性好。新型MRE磁敏傳感器的靈敏度可以通過(guò)調(diào)節(jié)MRE中鐵磁顆粒的大小、種類及彈性體的種類來(lái)改進(jìn)。
渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)可通過(guò)磁敏傳感器切割磁力線產(chǎn)生電荷信號(hào),再經(jīng)過(guò)整形放大,聲稱脈沖星新號(hào),通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算這些脈沖數(shù)，可以換算出通過(guò)氣體渦輪流量計(jì)的流體的體積流量,同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將磁敏和Pt100封裝在1個(gè)不銹鋼殼體內(nèi)，如圖4所示。
其技術(shù)性能指標(biāo)如下:
(1)流量范圍:6~6500m³/h,整機(jī)精度:1級(jí);
(2)壓力范圍:1.6、2.5、4.0MPa,特殊可定做:
(3)溫度范圍:-20-80℃。
(4)重復(fù)性:優(yōu)于±0.1%
6結(jié)束語(yǔ).
通過(guò)對(duì)氣體渦輪流量計(jì)測(cè)量芯、動(dòng)壓氣體軸承、導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)、多參數(shù)傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化了氣體渦輪輪流流量計(jì)的特性曲線，提高儀表的穩(wěn)定性和正確率，延長(zhǎng)儀表的壽命。
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