CN112484791A

CN112484791A - 宽粘度型液体涡轮流量传感器

Info

Publication number: CN112484791A
Application number: CN202011514972.4A
Authority: CN
Inventors: 郭素娜; 杨子航; 赵宁; 王帆; 方立德
Original assignee: Heibei University
Current assignee: Heibei University; Hebei University
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-03-12

Abstract

本发明提供了一种宽粘度型液体涡轮流量传感器，包括壳体和叶轮，在所述叶轮的轮毂上均匀分布有若干叶片，所述叶片呈螺旋状设置在所述叶轮的轮毂上，叶轮上的各叶片在叶轮上的分布形态是，在叶轮轴向上，前一个叶片的末端与后一个叶片的始端相接。从叶轮的轴向上看，两相邻叶片的结合部无缝隙、无重叠，正好形成一个闭合的圆环。本发明依据最大粘度点的速度剖面设计叶轮长度，通过对叶轮的长度设计，使叶轮叶片实度增大，减小叶片间随着粘度的增加而增加的漏流量，进而增大流体对叶轮的驱动力矩，因此可以在测量宽粘度液体时，也能保持稳定的性能，由此改善了涡轮流量传感器的性能。

Description

宽粘度型液体涡轮流量传感器

技术领域

本发明涉及一种流量测量装置，具体地说是一种宽粘度型液体涡轮流量传感器。

背景技术

涡轮流量传感器是一类测量精度较高的流量测量仪表，因其量程比宽、重复性好，被广泛应用于天然气和油品贸易计量等领域。

涡轮流量传感器的工作原理是：流体从传感器壳体与叶轮之间的空隙中流过，由于叶轮上的叶片与流体流向有一定的角度，流体作用在叶片上，为叶轮提供了转动力矩，旋转的叶轮在克服了摩擦力矩和流体阻力后，达到力矩平衡，使叶轮的转速稳定。在一定的条件下，叶轮的转速与流体的流速成正比。由于叶片具有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。

随着精细化工、生物工程等行业的兴起，小口径流量传感器的需求量日益增加。而小口径管道内流体的雷诺数较低，常规的流量传感器不能满足测量需求。小口径涡轮流量传感器的测量性能容易受到被测流体粘度变化的影响。当流体粘度较高（通常在常温下大于5cSt）时，涡轮流量传感器的测量性能容易受到被测流体粘度变化的影响；当流体粘度高于1cSt时，涡轮流量传感器的线性范围逐渐减小；流体粘度在50cSt到100cSt之间时，涡轮流量传感器的线性范围几乎消失。因此，使用常规涡轮流量传感器对高粘度的油品流量进行测量，就会产生较大的测量误差。由于在小口径管道内流体雷诺数较低，常规的流量传感器不能满足测量需求，小口径涡轮流量传感器的测量性能又容易受到被测流体粘度变化的影响。

发明内容

本发明的目的就是提供一种宽粘度型液体涡轮流量传感器，以解决现有涡轮流量传感器应用于高粘度液体测量时存在误差较大的问题。

本发明是这样实现的：一种宽粘度型液体涡轮流量传感器，包括壳体和叶轮，在所述叶轮的轮面上均匀分布有若干叶片，所述叶片呈螺旋状设置在所述叶轮的轮面上，叶轮上的叶片分布形态是，前一个叶片的末端与后一个叶片的始端在叶轮轴向上呈现依次相接的形态。

本发明涡轮流量传感器中的两相邻叶片在叶轮轴向上的结合部无缝隙、无重叠。

在本发明涡轮流量传感器中，所述叶轮的直径与所述壳体的内径之比为0.8︰1。

本发明基于常规的液体涡轮流量传感器的工作原理，对壳体内部结构进行了改进，当高粘度流体流经液体涡轮流量传感器的壳体，采用上述的壳体内径与叶轮外轮廓的孔径比的设计，相应增大了叶轮的轮廓半径，可使流体的叶轮入口速度剖面得到改善；而叶轮的分布形态的改进设计，叶轮叶片从轴向观察无空白区域和叶片重叠部分，可使叶轮叶片所受驱动力矩增大，进而有效地改善了高粘度流体对涡轮流量传感器的影响，并提高涡轮流量传感器在测量高粘度液体时的测量性能。

通过实验和CFD仿真模拟可知，涡轮流量传感器的平均仪表系数随被测液体粘度的增大而减小，线性误差随被测液体粘度的增大而增大；而流体的上游流量调节器的尾流影响涡轮流量传感器中涡轮转子叶片间的流速分布，从而改变涡轮流量计的性能。随着流体粘度的增加，上游流量调节器的尾流效应变大；流体粘度的变化影响进入转子叶片的流体速度分布，进而影响转子叶片上的压力分布，进而影响转子的转速。因此，减少尾流对上游流量调节器的影响以及改变涡轮流量计壳体内壁的结构，可以有效地改善高粘度流体对涡轮流量传感器的影响，并提高涡轮流量传感器的测量性能。本发明减少了尾流对上游流量调节器的影响，并且改善了叶片的流体的速度分布。

本发明基于流通面积不变的原则，通过对叶轮的轮廓直径与壳体的内孔径之比的设定，可以有效降低由粘度增大对流体进入传感器叶轮叶片时的速度剖面入口速度剖面所产生的变化，相应减小了测量仪表的线性度误差，使涡轮流量传感器的整个量程范围内的仪表性能得以提高。本发明依据最大粘度点的速度剖面设计叶轮长度，通过对叶轮的长度设计，使叶轮叶片实度增大，减小叶片间随着粘度的增加而增加的漏流量，进而增大流体对叶轮的驱动力矩，因此可以在测量宽粘度液体时，也能保持稳定的性能，由此改善了涡轮流量传感器的性能。

附图说明

图1是本发明液体涡轮流量传感器的叶轮结构示意图。

图2是结构改进前后仿真实验的液体涡轮流量传感器性能对比图。

图3是结构改进前后实流实验的液体涡轮流量传感器性能对比图。

具体实施方式

本发明液体涡轮流量传感器主要是针对叶轮部分所做的改进。如图1所示，在叶轮11的轴心线上设置有轮轴12，轮轴12的外侧端伸出叶轮的端面，以将叶轮支撑连接在涡轮流量传感器的壳体内。在叶轮11的轮面上均匀分布有四个叶片10，各叶片10呈右旋的螺旋状固定连接在叶轮11的轮面上。叶轮11上的叶片分布形态是，前一个叶片的末端与后一个叶片的始端在叶轮轴向上呈现依次相接的形态。即两相邻叶片10在叶轮11轴向上的结合部无缝隙、无重叠，形成了一个闭合环结构。另外，叶轮11的直径与安装叶轮的壳体的内径之比为0.8︰1。

本发明液体涡轮流量传感器的壳体外径最好要大于连接管的直径，相应地，在传感器壳体与连接管之间增加一段锥口段，以实现由传感器到连接管的过渡连接与配合。

下面以DN10液体涡轮流量传感器为例，将其原有结构（简称“原结构”）、本发明的改进结构（简称“本发明”）以及其他两种优化方案（简称“方案一”和“方案二”）分别进行仿真实验和实流实验，以对比各自在测量高粘度液体性能方面的能力。上述四种技术方案关于壳体和叶轮的有关结构参数如表1所示：

表1：DN10液体涡轮流量传感器不同技术方案的结构参数列表。

将按照上述四种方案设计的样机分别进行仿真实验和实流实验。仿真实验是在FLUENT仿真软件上进行，仿真实验测试和实流实验测试各自分别在50×10^-6m²/s、40×10^- ⁶m²/s、30×10^-6m²/s、20×10^-6m²/s、10×10^-6m²/s和1×10^-6m²/s，共计六个粘度点进行；并且，依据检定规程，被测流量点选定为：0.2m³/h、0.3m³/h、0.48m³/h、0.84m³/h和1.2m³/h，共计五个。

仿真实验的结果如图3所示。

由图3可见，随着叶轮长度的增加，传感器平均仪表系数逐渐增大；高粘度和低粘度平均仪表系数之差随叶轮长度变化而变化，以7mm 时最小；在同一粘度点，最大流量点和最小流量点之差线性度误差也随叶轮长度变化而变化，以10.285mm时最小，即叶轮长度为10.285mm时，传感器的线性度最好。因此，从仿真结果来看，叶轮长度的改变，能有效改变传感器的性能。

结构优化前后传感器性能对比情况如图2所示，结果显示：增大叶轮长度后，传感器的平均仪表系数随被测流体粘度变化的幅度变小，其中叶轮长度为7mm时最小，最大与最小平均仪表系数相差2.2%，此趋势与仿真结果一致；被测流体粘度较高时，传感器的线性度误差变小，运动粘度在0-50×10^-6m²/s 范围时，结构改进前最大误差接近18%，而结构改进后最大线性度误差为5.65%。

由该实流实验结果可知：在运动粘度为0~50×10^-6 m²/s的范围内，与原结构相比，本发明和优化方案一、优化方案二在测量高粘度液体的性能均有较大幅度的提高，而本发明的改进方案的传感器的线性度更优。因此，本发明液体涡轮流量传感器更适合于针对宽粘度流体的流量测量。

以DN10液体涡轮流量传感器为例设计样机，并通过CFD仿真实验和实流实验，对优化方案进行验证，结果表明：本发明在实验中高粘度和低粘度平均仪表系数之差变化更加平稳，传感器的线性度更优。因此，与原结构相比，本发明液体涡轮流量传感器更适合于宽粘度流体流量测量。

Claims

1.一种宽粘度型液体涡轮流量传感器，包括壳体和叶轮，其特征是，在所述叶轮的轮面上均匀分布有若干叶片，所述叶片呈螺旋状设置在所述叶轮的轮面上，叶轮上的叶片分布形态是，前一个叶片的末端与后一个叶片的始端在叶轮轴向上呈现依次相接的形态。

2.根据权利要求1所述的宽粘度型液体涡轮流量传感器，其特征是，两相邻叶片在叶轮轴向上的结合部无缝隙、无重叠。

3.根据权利要求1所述的宽粘度型液体涡轮流量传感器，其特征是，所述叶轮的直径与所述壳体的内径之比为0.8︰1。