双流束热量表的流量测量技术研究
作者：山东大学 杜广生 刘正刚 郭兰兰 王宁 林勤春
摘要： 提出了基于流体力学原理的热量表基表进水口导流片，形成双流束流动方案,调整水流方向、推动叶轮按预定方向旋转，在叶轮式顶盖径向位置设置调节筋条，来调节基表脉冲当量的新方法；开发了专用流量芯片TMS3723B的控制程序，实现了流量信号的准确、可靠采集。对相关研究具有重要的指导作用。
关键词：双流束 热量表 无磁式
1. 引言
我国热量表技术较国外先进水平还有较大的差距。从国产热量表的三个重要组成部分积算仪、流量传感器和温度测量技术现状看，由于多采用进口微处理器，积算仪的有关问题得到了较好的解决。温度测量多采用技术较成熟PT1000铂电阻，也得到较好的解决。目前问题较多的是流量测量部分，国产热量表基表多采用原有热水表，其测量精度和可靠性难以达到热量表的流量技术要求，因此开发精度高、工作可靠的热量表基表，是目前热量表研制的重要课题。本文对热量表单流束基表技术问题进行分析探讨，提出了“导流片”分流和叶轮室顶盖设置“调节筋条”调节当量脉冲的新方法，得到了很好的效果。
2.单流束基表设计的技术方案
传统的单流束基表结构如图1所示，为了保证叶轮按一定的方向旋转，其进水口和出水口往往偏心设置，并在一定的部位设置当量脉冲的调整部件。这种结构存在以下弊端，首先进水口和出水口的偏心设置，给机械加工带来一定的难度，在加工进、出水口时，由于偏心设置，给工件的装夹、找正带来不便，费时费工，效率低下；同时给外形设计造成一定的困难，难以设计出美观的外形。再者，以往热量表基表多采用原有的单流束热水表，由于价格等因素的制约，其设计精度、材料的使用等存在较多的问题，其精度难以满足热量表流量检测精度的要求。
图1 传统的单流束基表结构示意图
为了消除上述弊端，本研究对热量表基表进行了全新设计。其结构如图2所示，为便于加工，将进、出水口设计在一条直线上，这种设计给工件加工带来很大的方便，便于保证精度，大大提高机加工效率。和传统基表相比，增加了叶轮式底座，底座和金属表壳过盈配合，叶轮室上盖和底座采用耐高温的PPS制作，可保证热水长时间浸泡不致发生变形，以保证热量表工作的可靠性。
图2 新型单流束基表
1－表壳底座 2－叶轮室底座 3－整流隔栅 4－叶轮 5－叶轮室上盖 6－表壳盖
7－挡块 8－半圆膜片 9－刚玉 1 0－轴套
叶轮式底座的俯视形状如图3所示，为了保证水流对叶轮叶片有一定的冲击角度和水流顺利流出基表，叶轮式底座进水口和出水口与表壳的进水口、出水口有一定的夹角，同时在进水口处设置一三角形的导流片。为了调节脉冲当量，在叶轮式上盖朝向叶轮的一面设置一横向筋条，通过调整筋条和基表进、出水口轴线之间的夹角，达到调节脉冲当量的目的。
图3 叶轮式底座
3.基表内部水流特性的分析
热量表工作时水流从基表进水口经整流隔栅进入基表，在叶轮室底座入口处由导流片分流成两股，分别从两个通道进入叶轮室。水流在叶轮室内产生旋转运动，推动叶轮旋逆时针旋转，之后依次经叶轮室出口、基表出口流出。本设计中所采用了无磁式流量传感方式，就是通过叶轮室上盖上方设置的三个电感在叶轮旋转时产生振荡信号来实现的。
由图3可见，叶轮室入口的收缩流道截面积A1沿水流方向逐渐减小，而扩张流道截面积A2逐渐增大，由不可压缩流体的连续性方程可知，过流面积和流速成反比，进入收缩流道的水流速度V1将增大，而进入扩张流道的水流速度V2将减小。由伯努利方程可以得到，V1减小，p 1增大，V2增大，p2减小，如此从两个通道进入叶轮室的水流之间就存在压强差 ，此压强差将推动水流向压强小的方向流动，从而推动叶轮逆时针旋转；收缩通道提高了进入腔体的水流速度，增大其动量，在微小流量时，叶轮受轴与轴承之间摩擦阻力的影响较大，如果基表中不设此导流片而是一个单一通道，水流更易直接从叶轮间隙流过，而不推动叶轮旋转，从而使始动流量值增大。
由上述分析可知，在流动初始时刻，两通道的几何形状对决定叶轮旋转方向至关重要，该设计依靠两通道出口的压强差使水流在基表腔体内沿逆时针方向流动。第二通道出口水流速度V2大于第一通道出口速度V1,并且偏转的角度较V1更大，这种流动机制决定了水流开始流动时叶轮必须沿逆时针方向旋转。
最初设计的叶轮室及导流片形状如图3，导流片前端靠近叶轮室外径处是一尖角，其与中心连线和横轴的夹角为8度，在进行85℃热水试验后，导流片变形受损，因此，必须加以改进。改进从两个方面着手，一是更换耐高温的材料，再就是改变导流片的几何形状。
导流片的改进示意图见图4。改进前的导流片横截面为三角形ABC，改进后为五边形AAB’BC。A’，B’比A、B两点向中心线方向偏移2°。如此改动之后导流片的横截面积增大，厚度增加，强度也必然相应提高。同时，导流片靠近中心线一侧倾斜角度减小，改变了收缩通道的形状，流经此通道的水流流动情况相应的会发生变化。
图4 导流片改进示意图
导流片截面积加大，收缩通道变窄，由连续性条件知，此处水流速度必然增大，水流就会以更大的动量冲击叶轮。另外，在导流片顶端平面加一小圆柱体挡头，可以起到加固导流片的作用，增强其承受水流冲击力的能力。改进后的导流片经实验证明，高温时大流量下，导流片也不会发生变形，可保证基表的正常工作。
为了进一步改善基表的性能，对叶轮的材料也进行了改进。原设计叶轮材料采用的是PPS，改用尼龙66＋玻璃纤维，改进后叶轮重量减轻，其与轴承间的摩擦阻力相应减小，通过对基表以上综合改进，基表的始动流量减小，脉冲当量增加明显。试验结果表明，始动流量值由原来的16L/h降低为10L/h左右。脉冲当量增大8％左右，大大改善了及表的性能。
为了保证基表间当量脉冲一致，以往基表往往在不同的部位设置调节部件，以调整脉冲当量的大小，为了简化设计、改善工艺性，本研究在叶轮室顶盖下面的径向位置上设置筋条，如图5所示。通过调整筋条和水流方向之间的夹角β，来改变脉冲当量的大小。实验表明这一方法对调节基表脉冲当量十分灵敏、有效。该方法与传统的其它方法相比，具有结构简单，工艺性好、易于调节的优点。
图5 调节筋条示意图
4.流量信号的采集
传统的流量信号采集方案多为有磁式，具有抗干扰能力差，永久性磁铁退磁和含铁性杂质易吸附等缺点。本研究采用无磁式传感器方案，具体电路方案为TMS3723B方案。
TMS3723B是美国德州仪器公司生产的流量芯片，被广泛应用于欧洲热量表产品。它的内部有12个控制寄存器和13个数据寄存器，通过向控制寄存器中写入数据可以实现对采样频率、比较器比较电压、中断方式、时钟信号源、电感的开启和关闭等项目的控制，读出数据寄存器中的内容可以知道各个电感的状态、叶轮旋转圈数、叶轮旋转方向等信息。
实际在热量表中使用TMS3723B主要是读取1/4旋转寄存器和电感状态寄存器中的内容。当叶轮旋转一圈时1/4旋转寄存器中的数据加4，当1/4旋转寄存器中的数据读出后可自动清0。只要定期读取1/4旋转寄存器中的内容，就可以计算出在这一时间间隔内的叶轮转速。电感状态寄存器中保存当前电感的状态等信息，通过读取电感状态寄存器中的数据可以判断电感是否存在故障。下面简要说明一下TMS3723B是如何判断电感状态并计数的。
流量传感器由3个电感线圈构成，它们在旋转轨道上间隔90度均匀分布，其下部为叶轮，叶轮顶面在半圆区域内涂附了用蒸汽处理过的阻尼材料。
每个电感均和电容组成LC振荡电路，由TMS3723B定期对LC电路充放电以使LC电路产生逐渐衰减的正弦信号，比较器把衰减的正弦信号转换成数字脉冲，只要输入电压高于设定的内部值,脉冲就将持续高值。
无阻尼振荡 阻尼振荡
图6无阻尼和有阻尼振荡波形
2.当电感位于阻尼材料处时，由于会在阻尼材料中感应出电流，正弦信号的衰减速度会加快，电感处于有阻尼状态。相反当电感位于无阻尼材料处时，正弦信号的衰减速度较慢，电感处于无阻尼状态。TMS3723B芯片通过内部的比较器可判断出这两种状态。两种状态的波形如图6所示。
当叶轮旋转时，三个电感依次在有阻尼状态和无阻尼状态之间切换，TMS3723B判断各个电感的状态，写入相应的状态寄存器中。每旋转一圈，TMS3723B内的1／4旋转计数器加4。微处理器定时读取TMS3723 中的数据，并根据这些数据计算出流量。
5. 结 论
本研究提出了利用流体力学原理在基表进水口设置导流片来改变水流方向、形成对叶轮有效冲击的新方法。且通过调整导流片的几何形状和尺寸提高了基表检测精度，降低了始动流量，改善了基表的机加工工艺。提出了在叶轮室顶盖径向设置调节筋条、来调整基表脉冲当量的新方法，该方法较其它传统方法简便有效。采用美国德州仪器TMS3723B专用流量芯片，保证了基表流量信号的采集准确、可靠。实验检测表明，通过以上综合措施，本研究开发的热量表基表，整体性能达到国家标准的相关要求，达到国外同类产品的先进水平。
参考文献
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