用于小流量测量的切向涡轮流量计设计
目录
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1绪论 (1)
1.1研究背景与意义 (1)
1.2国内外研究现状 (3)
1.2.1小流量测量的国内外研究现状 (3)
1.2.2切向涡轮流量计的国内外研究现状 (4)
1.3论文主要研究内容 (5)
2切向涡轮流量计测量原理 (7)
2.1切向涡轮流量传感器的工作原理 (7)
2.2切向涡轮流量传感器的数学模型 (7)
2.3本章小结 (10)
3切向涡轮流量传感器优化设计 (11)
3.1计算流体动力学CFD简介 (11)
3.1.1计算流体动力学概述 (11)
3.1.2CFD模型的数值求解方法概述 (12)
3.1.3FLUENT的简介 (13)
3.2切向涡轮流量传感器三维流场仿真 (14)
3.2.1CFD仿真计算原理 (14)
3.2.2CFD仿真计算流程 (14)
3.2.3GAMBIT建模及网格划分 (15)
3.2.4选择仿真计算模型 (16)
3.2.5叶轮初始化与计算条件的设定 (17)
3.2.6涡轮转子Z方向力矩平衡分析法 (18)
3.3CFD仿真结果分析 (19)
3.4切向涡轮流量传感器优化设计 (21)
3.4.1喷嘴尺寸的优化 (21)
3.4.2 叶轮几何参数的优化 (23)
3.5 本章小结 (26)
4切向涡轮流量计系统设计 (27)
4.1流量测量系统方案 (27)
4.1.1流量测量系统构成 (27)
4.1.2转速测量方法 (27)
4.2反射式光电传感器选型 (29)
4.3信号预处理电路设计 (30)
4.3.1整形电路设计 (30)
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西安理工大学硕士学位论文
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4.3.2光电耦合电路设计 (32)
4.4基于FPGA的信号处理模块的设计 (33)
4.4.1FPGA选型及系统构成 (33)
4.4.2时钟管理模块 (35)
4.4.3脉冲边沿提取模块 (36)
4.4.4脉冲计数模块 (37)
4.4.5转速流量计算模块 (38)
4.4.6数据显示模块 (40)
4.5 本章小结 (44)
5流量测量系统实验与结果分析 (45)
5.1 评价标准 (45)
5.2 流量测量系统实验 (46)
5.3 本章小结 (50)
6总结与展望 (51)
6.1 总结 (51)
6.2 展望 (51)
致谢 (53)
参考文献 (55)
绪论
1 绪论
1.1 研究背景与意义
流量是工业自动化领域的三大检测参数【1】之一，流量计量【2】是计量科学技术领域的重要组成部分，在提高产品质量和生产效率方面，具有非常重要的意义。流量计在国民经济各部门都有广泛应用，随着节能降耗和工业生产自动化的发展，国民经济各领域对流体流量计量【3】的需求不断增长，流量计量在国民经济的正常运转中有着不可替代的地位。
近年来，随着半导体工程、生物医学、化学工程、石油钻井等行业的快速发展，对微小流量测量的需求越来越大。在化工行业的燃料消耗计量、制药工业的配料计量以及石油工业的流量计量中都存在液体微小流量测量问题。
由于流量是一个动态量，所以流量测量【4~5】是一项复杂的技术。被测流体通常包括：气体、液体和混合流体；在流体的测量过程中又包含很多限制条件，比如：测量温度、测量压力、被测流量的大小、被测流体流动状态、粘度大小等。因此，为了提高流量测量的准确性，需要研究不同的流体在不同的流动条件下的测量方法，并配套相应的流量测量仪表。鉴于被测流体的流动特性非常复杂，测量条件不尽相同，从而出现了不同种类的流量测量方法和流量测量仪表。
常用的流量测量方法包括：涡街测量方法、差压式测量方法【6~7】、容积式测量方法【8】、浮子式测量方法【9】、电磁测量方法【10】、涡轮测量方法【11】。涡街测量方法的测量精度高，但是仪表系数较低；差压式测量方法和容积式测量方法的测量下限比较高；浮子式测量方法的耐压力低，玻璃管易碎；电磁测量方法测量精度高，测量范围宽，不适于高温高压的测量环境；涡轮测量方法具有测量精度高、重复性好、测量下限低的特点，它按结构可以分为轴向型和切向型两种。目前，对于流量测量方法的研究已经很成熟，但是微小流量的测量方法还处于研究阶段。
微小流量在行业内也没有公认的定义，在应用领域一直是一个模糊的概念。小管道的流量测量主要表现在小直径和小流量两方面，在流程工业领域，一般将DN10(DN6或DN15)以下的管道内径中的微小流量测量称为小流量测量。本课题的研究目的是设计的切向涡轮流量计的流量测量下限为0.208m3/h，即5m3/d。
本课题选用切向型涡轮流量计作为小流量测量的核心部件。如图1-1所示，涡轮流量传感器主要由叶轮、信号检出器、壳体、前导流件、后导流件这5部分组成【12】，它是一种速度式流量仪表，通过信号检出器测出叶轮的转速，利用叶轮旋转转速与流体流速之间的正比关系，推导出通过管道的体积流量的大小，是目前流量测量仪表中相对成熟的高精度仪表。涡轮流量计由涡轮流量传感器和流量显示仪组成，可实现瞬时流量和累积流量的计量和实时显示【13~14】。切向式涡轮流量传感器具有独特的切向式涡轮叶片结构（切向涡轮流量传感器的转轴与流体的流动方向垂直）。由于被测液体是沿切线方向冲击涡轮叶片，因此，它可以对小的液体流量实现有效的测量。广泛适用于石油、化工、航天、冶金、市
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