關鍵字：雙流束熱量表，流量測量技術，無磁式
　　
　　1.引言
　　
　　我國熱量表技術較國外先進水平還有較大的差距。從國產熱量表的三個重要組成部分積算儀、流量傳感器和溫度測量技術現(xiàn)狀看，由于多采用進口微處理器，積算儀的有關問題得到了較好的解決。溫度測量多采用技術較成熟PT1000鉑電阻，也得到較好的解決。目前問題較多的是流量測量部分，國產熱量表基表多采用原有熱水表，其測量精度和可靠性難以達到熱量表的流量技術要求，因此開發(fā)精度高、工作可靠的熱量表基表，是目前熱量表研制的重要課題。本文對熱量表單流束基表技術問題進行分析探討，提出了“導流片”分流和葉輪室頂蓋設置“調節(jié)筋條”調節(jié)當量脈沖的新方法，得到了很好的效果。
　　
　　2.單流束基表設計的技術方案
　　
　　傳統(tǒng)的單流束基表結構如圖1所示，為了保證葉輪按一定的方向旋轉，其進水口和出水口往往偏心設置，并在一定的部位設置當量脈沖的調整部件。這種結構存在以下弊端，首先進水口和出水口的偏心設置，給機械加工帶來一定的難度，在加工進、出水口時，由于偏心設置，給工件的裝夾、找正帶來不便，費時費工，效率低下；同時給外形設計造成一定的困難，難以設計出美觀的外形。再者，以往熱量表基表多采用原有的單流束熱水表，由于價格等因素的制約，其設計精度、材料的使用等存在較多的問題，其精度難以滿足熱量表流量檢測精度的要求。　　為了消除上述弊端，本研究對熱量表基表進行了全新設計。其結構如圖2所示，為了便于加工，將進、出水口設計在一條直線上，這種設計給工件加工帶來很大的方便，便于保證精度，可大大提高機加工效率。和傳統(tǒng)基表相比，增加了葉輪式底座，底座和金屬表殼過盈配合，葉輪室上蓋和底座采用耐高溫的PPS制作，可保證熱水長時間浸泡不致發(fā)生變形，以保證熱量表工作的可靠性。　　1－表殼底座2－葉輪室底座
　　
　　3－整流隔柵4－葉輪
　　
　　5－葉輪室上蓋6－表殼蓋
　　
　　7－擋塊8－半圓膜片
　　
　　9－剛玉10－軸套
　　
　　葉輪式底座的俯視形狀如圖3所示，為了保證水流對葉輪葉片有一定的沖擊角度和水流順利流出基表，葉輪式底座進水口和出水口與表殼的進水口、出水口有一定的夾角，同時在進水口處設置一三角形的導流片。為了調節(jié)脈沖當量，在葉輪式上蓋朝向葉輪的一面設置一橫向筋條，通過調整筋條和基表進、出水口軸線之間的夾角，達到調節(jié)脈沖當量的目的。　　3.基表內部水流特性的分析
　　
　　熱量表工作時水流從基表進水口經整流隔柵進入基表，在葉輪室底座入口處由導流片分流成兩股，分別從兩個通道進入葉輪室。水流在葉輪室內產生旋轉運動，推動葉輪旋逆時針旋轉，之后依次經葉輪室出口、基表出口流出。本設計中所采用了無磁式流量傳感方式，就是通過葉輪室上蓋上方設置的三個電感在葉輪旋轉時產生振蕩信號來實現(xiàn)的。
　　
　　由圖3可見，葉輪室入口的收縮流道截面積A1沿水流方向逐漸減小，而擴張流道截面積A2逐漸增大，由不可壓縮流體的連續(xù)性方程可知，過流面積和流速成反比，進入收縮流道的水流速度V1將增大，而進入擴張流道的水流速度V2將減小。由伯努利方程可以得到，V1減小，p1增大，V2增大，p2減小，如此從兩個通道進入葉輪室的水流之間就存在壓強差，此壓強差將推動水流向壓強小的方向流動，從而推動葉輪逆時針旋轉；收縮通道提高了進入腔體的水流速度，增大其動量，在微小流量時，葉輪受軸與軸承之間摩擦阻力的影響較大，如果基表中不設此導流片而是一個單一通道，水流更易直接從葉輪間隙流過，而不推動葉輪旋轉，從而使始動流量值增大。
　　
　　由上述分析可知，在流動初始時刻，兩通道的幾何形狀對決定葉輪旋轉方向至關重要，該設計依靠兩通道出口的壓強差使水流在基表腔體內沿逆時針方向流動。第二通道出口水流速度V2大于*通道出口速度V1,并且偏轉的角度較V1更大，這種流動機制決定了水流開始流動時葉輪必須沿逆時針方向旋轉。
　　
　　zui初設計的葉輪室及導流片形狀如圖3，導流片前端靠近葉輪室外徑處是一尖角，其與中心連線和橫軸的夾角為8度，在進行85℃熱水試驗后，導流片變形受損，因此，必須加以改進。改進從兩個方面著手，一是更換耐高溫的材料，再就是改變導流片的幾何形狀。
　　
　　導流片的改進示意圖見圖4。改進前的導流片橫截面為三角形ABC，改進后為五邊形AAB’BC。A’，B’比A、B兩點向中心線方向偏移2°。如此改動之后導流片的橫截面積增大，厚度增加，強度也必然相應提高。同時，導流片靠近中心線一側傾斜角度減小，改變了收縮通道的形狀，流經此通道的水流流動情況相應的會發(fā)生變化。　　導流片截面積加大，收縮通道變窄，由連續(xù)性條件知，此處水流速度必然增大，水流就會以更大的動量沖擊葉輪。另外，在導流片頂端平面加一小圓柱體擋頭，可以起到加固導流片的作用，增強其承受水流沖擊力的能力。改進后的導流片經實驗證明，高溫時大流量下，導流片也不會發(fā)生變形，可保證基表的正常工作。
　　
　　為了進一步改善基表的性能，對葉輪的材料也進行了改進。原設計葉輪材料采用的是PPS，改用尼龍66＋玻璃纖維，改進后葉輪重量減輕，其與軸承間的摩擦阻力相應減小，通過對基表以上綜合改進，基表的始動流量減小，脈沖當量增加明顯。試驗結果表明，始動流量值由原來的16L/h降低為10L/h左右。脈沖當量增大8％左右，大大改善了及表的性能。
　　
　　為了保證基表間當量脈沖一致，以往基表往往在不同的部位設置調節(jié)部件，以調整脈沖當量的大小，為了簡化設計、改善工藝性，本研究在葉輪室頂蓋下面的徑向位置上設置筋條，如圖5所示。通過調整筋條和水流方向之間的夾角β，來改變脈沖當量的大小。實驗表明這一方法對調節(jié)基表脈沖當量十分靈敏、有效。該方法與傳統(tǒng)的其它方法相比，具有結構簡單，工藝性好、易于調節(jié)的優(yōu)點。　　4.流量信號的采集
　　
　　傳統(tǒng)的流量信號采集方案多為有磁式，具有抗干擾能力差，*性磁鐵退磁和含鐵性雜質易吸附等缺點。本研究采用無磁式傳感器方案，具體電路方案為TMS3723B方案。
　　
　　TMS3723B是美國德州儀器公司生產的流量芯片，被廣泛應用于歐洲熱量表產品。它的內部有12個控制寄存器和13個數(shù)據(jù)寄存器，通過向控制寄存器中寫入數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對采樣頻率、比較器比較電壓、中斷方式、時鐘信號源、電感的開啟和關閉等項目的控制，讀出數(shù)據(jù)寄存器中的內容可以知道各個電感的狀態(tài)、葉輪旋轉圈數(shù)、葉輪旋轉方向等信息。
　　
　　實際在熱量表中使用TMS3723B主要是讀取1/4旋轉寄存器和電感狀態(tài)寄存器中的內容。當葉輪旋轉一圈時1/4旋轉寄存器中的數(shù)據(jù)加4，當1/4旋轉寄存器中的數(shù)據(jù)讀出后可自動清0。只要定期讀取1/4旋轉寄存器中的內容，就可以計算出在這一時間間隔內的葉輪轉速。電感狀態(tài)寄存器中保存當前電感的狀態(tài)等信息，通過讀取電感狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)可以判斷電感是否存在故障。下面簡要說明一下TMS3723B是如何判斷電感狀態(tài)并計數(shù)的。
　　
　　流量傳感器由3個電感線圈構成，它們在旋轉軌道上間隔90度均勻分布，其下部為葉輪，葉輪頂面在半圓區(qū)域內涂附了用蒸汽處理過的阻尼材料。
　　
　　每個電感均和電容組成LC振蕩電路，由TMS3723B定期對LC電路充放電以使LC電路產生逐漸衰減的正弦信號，比較器把衰減的正弦信號轉換成數(shù)字脈沖，只要輸入電壓高于設定的內部值,脈沖就將持續(xù)高值。