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三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

分析流量計改造成小型化的收益與權衡

來源: 作者: 發布日期:2020-05-14 08:58:53

 40多年來,Titan Enterprises一直致力于制造更小,更好的流量計,從微型渦輪機和齒輪流量計到非常新的超聲波設備,不一而足。與任何產品開發一樣,在考慮使流量設備小型化的同時,也要權衡利弊。在本文中,我們著眼于渦輪,橢圓齒輪,超聲波和熱流量計的注意事項。

 
A:渦輪流量計
 
      制作非常低流量的高性能渦輪流量計始終是一個挑戰。各種各樣的物理問題使您無法生產小型設備。通常,徑向流渦輪比軸向流渦輪更適合低流量應用。排名不分先后的主要問題包括:
 
      一世。摩擦。靜摩擦可定義為防止零件運動的兩個表面上的摩擦力,這是非常好個問題。對任何軸承的這種影響將決定渦輪開始旋轉的點。對于大型渦輪機,這通常不是問題,因為相對于靜摩擦,您可能具有較大的驅動扭矩。在微型設備上,與靜摩擦相比,可用驅動扭矩大大降低。僅使軸承自由旋轉可能是一個挑戰。藍寶石軸承通常可以克服這一點,但是這些高度拋光的表面的接觸面積仍然可以相對較高。點接觸提供了非常小的摩擦,這可能與球或圓錐軸承一起使用。問題就變成了軸承負載。單點接觸等于無限高的軸承負載,這會縮短軸承壽命。靜摩擦本身也將取決于渦輪的質量。
 
      ii。重量。渦輪在流體中的質量不僅影響靜摩擦,而且對響應時間也有影響。質量越大,響應時間越慢。具有非常小質量的渦輪機可以具有與正在計量的流體相似的密度,從而使其具有中性浮力。在渦輪直徑,葉片寬度/厚度,結構材料和檢測方法之間也需要權衡。渦輪機上進入的射流抵消的力矩越大,驅動力就越大。但是,如果質量和旋轉阻力較高,則其他非驅動葉片上的阻力也較高。極細的葉片可能很難用光學方法檢測到,葉片的寬度被限制為流入流體的直徑加上流體中流入流體“擴散”的距離。太窄,
 
      iii。檢測系統。無拖曳系統是必不可少的,光學系統是理想的選擇,前提是您的流體可以有效地傳輸光線。它可以是反射性的,或更常見的是某種類型的光束切割裝置。將磁性材料添加到渦輪中以實現零阻力感應,磁性或霍爾效應檢測器會增加質量,但使流量計能夠處理乳濁液等不透明流體。對于這樣的應用,在磁性元件,其尺寸和質量之間需要權衡。
 
      iv。流體學。隨著流量的降低,更多的液體看起來和行為像糖霜。渦輪機對粘度敏感,因為它們主要是雷諾數裝置,對湍流更滿意。我們試圖用流體技巧來抵消其中的一些影響,例如誘發的次級渦流,其行為類似于“滾子”軸承,從而減少了粘性阻力并擴展了線性流動范圍。
 
      v。通用機械師。這是一個包羅萬象的部分,很難量化。渦輪直徑,射流偏移和尺寸以及渦輪和腔室的厚度與間隙之間存在關系。這些元素之間是微妙的折衷。
 
B:齒輪流量計。 
 
      在泰坦企業集團,我們選擇將橢圓齒輪設計納入齒輪表產品中,因為對于給定的壓差,由于齒輪的流體不對稱性而產生的驅動扭矩要大得多。與徑向渦輪相比,橢圓齒輪流量計的設計選項中的細微之處較少。橢圓齒輪流量計以正排量原理工作,通過吸入一小包流體并將其從入口側傳輸到出口側而沒有任何泄漏。這聽起來很容易,但是在齒輪間隙,泄漏,摩擦和流體粘度之間需要權衡。
 
      一個。間隙和泄漏。減小間隙,您可以在大流量范圍內非常精確地計量低粘度流體。使其過大,流量計將無法正常工作,直到液體粘度很高。隨著橢圓齒輪流量計的尺寸變小,泄漏路徑成比例地變大。如果我們使用一個較小的橢圓齒輪流量計,并弄平泄漏路徑,則可以將其定義為一條長約60mm的帶,由齒輪與腔室之間的間隙確定。我們通常以0.03mm的間隙運行,這將產生1.8mm2的潛在泄漏面積,這相當于直徑接近1.5mm的圓孔。如果您將齒輪的各個方向的尺寸減半,泄漏路徑將基本上變成一半,因此仍然有將近1mm的孔,以減小齒輪尺寸和效率。
 
      b。摩擦。如果有摩擦,橢圓齒輪流量計將不會啟動。如果存在運行摩擦,則線性度將不好。像微型渦輪一樣,必須將摩擦保持在非常低水平。但是,橢圓齒輪流量計的選件較少,因為軸承負荷可能很高。這是因為在較高流量下,儀表壓力降所引起的負載(儀表工作所必需的)變得有問題。
 
      C。流體粘度。流體粘度是橢圓齒輪流量計性能的基礎。大多數人對非潤滑性低粘度流體(例如水)不太滿意。但是,我們可以通過選擇高質量的材料和精密的制造來非常大程度地減少問題。例如,熱水的粘度約為0.6厘泊,除非齒輪質量低,摩擦力非常小且間隙緊至可能。粘度的很小增加(通常是潤滑)會對橢圓齒輪流量計的效率產生巨大的影響。
 
C:超聲波流量計。 
 
      我們將這一技術領域作為我們當前許多低流量開發的非常佳解決方案的目標。對于上面概述的兩種技術,這些系統的純力學是限制因素。需要將一些能量注入系統以實現較低的流速。由于技術的純粹物理性,在生產低流量超聲設備時還需要解決一些問題。
 
      1.基礎物理學。飛行時間超聲波儀表之所以起作用,是因為聲音在流動時會加速,而在流動時會受到阻礙。實際上,這兩個信號傳輸時間之間的相移是管道中流體速度的兩倍。流量越低,在每個方向上的相移或飛行時間就越低。
 
      2.減小孔徑。減小管徑會加快速度,因此會增加上游信號和下游信號之間的相移。使超聲波信號進入這些較小的管道本身就是一個問題。在我們非常低流量的Atrato超聲波流量計上,我們將超聲波信號注入并接收到直徑6mm的孔中,然后在晶體之間的中心部分將管子縮小到1mm的孔中,以加速液體并提高速度。這使我們能夠輕松地將流速降至2ml / min。
 
      3.未來的發展。利用我們專利技術的獨特功能之一,我們正在研究流量更低的設備。我們可以在角落發送超聲波。我們已經成功地對設備進行了原型設計,該設備實際上是直徑300mm,直徑1mm的管子,但直徑為30mm的線圈。這種獨特設計的基本物理原理增加了路徑長度,從而大大增加了上下信號之間的差異。但是,這種設計也需要權衡。在如此長的緊密孔中,信號會嚴重衰減,因此信號與背景噪聲之比會相應增加。這有效地決定了我們的流量范圍和低端流量。當前,隨著長度的增加,我們開始失去效率,在低流量測量中也看不到任何下降。
 
D:熱技術流量計。 
 
      這些固有的質量流量設備也隨著響應時間的縮短而變得越來越小。根據定義(與上面概述的流量計技術不同),它們只能處理特定的流體,因為每種流體的傳熱特性都會改變設備的校準。因此,如果不更改校準系數,用于一種液體的流量計設置將無法精確地計量秒。目前,對于同等設備,它們的性能不如我們的超聲技術那么精確,但它們的流量卻要低得多。
 
結論:
 
      小型化流量傳感器的快速發展為諸如醫療設備之類的應用中以前從未被認為可能的流量測量開辟了道路。

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