[发明专利]质量流量计

说明书

技术领域

本专利文献涉及一种质量流量计的改进结构。

背景技术

典型的角动量流量计具有四个主要部件：由透平机或马达带动旋转的主轴；静止整流器；叶轮(动量轮)；和速度轮鼓桶。在运行期间，流体流过透平机，使透平机旋转。透平机连接于所述主轴，因此所述主轴与透平机同步旋转。

接着，流体穿过静止整流器。静止整流器不与所述主轴或透平机耦合在一起。整流器的作用是尽可能多地从流体去除角动量，因为过多的角动量会导致测量误差。例如，通过任何数量的元件(包括流体行进所在的管道或透平机中的弯头)都可以将湍流或涡流引入到流体中。整流器有助于去除湍流和涡流。理想的情况为：随着流体退出静止整流器，相对于流量计的旋转轴线的所有角动量都已经被去除。

最后，流体穿过叶轮和鼓桶。通常，叶轮定位在鼓桶内，以形成测量组件。鼓桶形成测量组件的外封装物，叶轮坐落在鼓桶的内部。叶轮和鼓桶两者都绕轴线旋转。但是，鼓桶和叶轮以不同的方式连接于流量计。鼓桶刚性固定于所述主轴，由此强制鼓桶与透平机以及所述主轴同步旋转。叶轮通过弹簧元件(例如扭簧)附着于流量计的旋转部件(例如主轴或鼓桶)上。

理想的情况为：退出整流器且相对于所述主轴没有角动量的流体进入叶轮和鼓桶。叶轮和鼓桶以与所述主轴相同的速度旋转。因此，流体被加速，以与叶轮和鼓桶的旋转相匹配。但是，由于叶轮通过弹簧附着于流量计的所述主轴或其他旋转部件，所以导致叶轮落在鼓桶后面。当流体流过时，叶轮的强制旋转改变了流体的旋转速度，增大了流体的角动量。通过校准将叶轮连接于所述主轴的弹簧，可测量流体角动量的增大，以获得流体流过时强制叶轮旋转所需的扭矩。用于扭矩的等式如下：

T=m·*ω*r2]]>

这里，T＝扭矩；ω＝角速度；和r＝质量流量的回转半径。

借助弹簧测量扭矩的一个方法是：测量在叶轮和鼓桶两者绕所述主轴的轴线旋转时叶轮相对于鼓桶的滞后。虽然鼓桶和叶轮趋向于以同一速度旋转，但是，由叶轮上的流体所赋予的扭矩将使弹簧偏移，导致在叶轮和鼓桶两者绕所述主轴旋转时叶轮滞后于鼓桶。该滞后可以被测量得到，并且由该滞后可以计算被施加在叶轮上以增大流体的角动量所需的扭矩。

测量叶轮和鼓桶之间的滞后的一种通用方法是在叶轮和鼓桶两者的外面放置磁铁。然后设置静止线圈，所述静止线圈设置成使得在叶轮和鼓桶旋转时，静止线圈紧邻磁铁。每当旋转磁铁通过时，旋转磁铁将在电线圈上感应生成小的电脉冲。电脉冲可以通过电子线路检测，并基于与鼓桶相联的磁铁以及与叶轮相联的磁铁经过它们相应的线圈的时间确定相位滞后。基于弹簧常数，该滞后可用于计算扭矩。对于任何给定的弹簧常数，相位移越小，通过流体旋转叶轮所需的扭矩越小。相反，相位移越大，通过流体旋转叶轮所需的扭矩越大。改变流体的角动量所需的扭矩因此能被转换为流体的质量流速。由相位滞后或滞后角ζ引起的两脉冲之间的时间Δt为这里，c为弹簧常数。代入ζ，得到或这表明Δt与成正比。

上述设计利用了动量守恒定律去测量穿过流量计的流体的质量流速。理想的情况为：流体离开整流器，绕流量计的中心轴线没有旋转。当流体穿过叶轮和鼓桶(或测量组件)时，流体被加速绕流量计中心轴线旋转。由于守恒的物理性质，增大流体绕流量计轴线的旋转所需的能量可能被转化成流过流量计的流体的质量流。

虽然上述流量计结构可以测量流过的流体的质量流速，但是，在其设计中内在有很多影响装置精度的误差。例如，当流体从整流器流入叶轮和鼓桶组件时，流体穿过由旋转叶轮与静止整流器的角速度差形成的剪切面。在该剪切面上形成的剪切力是一种摩擦力，其增大了用叶轮旋转液体所需的能量。如果剪切力恒定，可从计算中析出因子，就可以相对准确地确定质量流速。但是，剪切力取决于液体的粘度，而液体的粘度随温度变化或者从一种流体到另一种流体而不同。即使来自不同场所或供应商的类似类型的流体，例如用于喷气发动机的煤油，也可能具有不同的粘度。所以，剪切力可以随流过流量计的流体类型以及流过流量计的流体温度而变化。变化的剪切力带来质量流量计算上的误差，而这种误差是难以解决的。大的可变剪切力可能妨碍质量流量计进行精密测量。