關於插入式電磁流量計的結構測（cè）量原理與信號檢測

摘要：航空燃油質量流量是飛機燃油油量控製係（xì）統中的重要參數之一，航空（kōng）燃油（yóu）質量流（liú）量的（de）精準（zhǔn）、穩定測量，對飛（fēi）機的燃油油量的判斷有著重要的意義。目前航空燃油質（zhì）量流量測量多采用間接式插入（rù）式電（diàn）磁流（liú）量計（jì），間接式插入式電（diàn）磁流量計易受（shòu）環境變化影響，存在精度低、穩定性差、測量參數多等缺點。基於此，設計和開發一種新型的具有高精度、高抗幹擾、性能穩定並（bìng）適用（yòng）於航空領域的插（chā）入式電磁流量計有（yǒu）著重要的意義。
燃油（yóu）流量檢（jiǎn）測是飛機發（fā）動機的重要需求之（zhī）一。燃油流量檢（jiǎn）測能夠為飛行員提供進入發動機的燃油累計消耗量（liàng）和瞬時消耗量（liàng）的準確信息；監控飛機發動機工作狀態（加力、巡（xún）航（háng）、小推力（lì））；對發動機供油情況（輸油管路、供油泵、閥（fá）等）故障檢測；為發動機控製（電調）係統提（tí）供控製參數，輔助發動（dòng）機控製；同時降低油耗，提升環保，提高經濟性。以我國目前開展的發動機研究工作（zuò）為例，發動機的*關鍵參數之一就是淨推（tuī）力，而淨推力的方程（chéng）如式（1）。

式中：GF 為進入發動機的燃油流量。
由此可見，燃油流量（liàng）檢測參數是飛機發動機控（kòng）製（zhì）的關鍵（jiàn）參數之一。燃油流（liú）量檢測的精度與可靠性，直接關係到飛機發動機控製係統的控製精度與可靠性，進而關（guān）係到整個飛機（jī）的飛行安全（quán）。隨（suí）著燃油流量（liàng）仿真（zhēn）、材料科學和工藝技術的不斷發展（zhǎn），飛機（jī）需求不斷提高，研製新一代高精（jīng）度、高可靠性的機載燃油質量（liàng）流量流量計，對於提高整個飛機的（de）技戰（zhàn）術指標，滿足飛機（發動機）的需求，有著十分（fèn）重要的意義（yì）。
機（jī）載燃油流（liú）量測量的發展經曆了體積流量（liàng）測量、間接式質量流量測量和直接式流量測量三個階段。*一（yī）階（jiē）段體（tǐ）積流量測量。體積流量測量因測量精度低（一般在2% 左右），逐漸趨於淘汰。*二（èr）階段間接式質量流量測量。間接式質量流量測（cè）量有推導式、溫度 - 壓力補償式等。例如俄羅斯的（de） д30 發動機采（cǎi）用了推導式測量方法（fǎ），即容積流量（liàng） - 密度計組合式流量測量獲得質量流量，該測（cè）量方式設（shè）備體積大、重量重、精度低、可（kě）靠性較低。*三階段直接式流量測量。歐美等先進**早（zǎo）在 20 世 紀 70、80 年代（dài）就成功研製出直接式插入式電磁流量計，主要是動量矩式（shì）。動量矩式（shì）流量計是根據牛頓*二定律的原理製作的。從（cóng）力學角度（dù）來說，質（zhì）量是物體慣性的（de）量度。物體受外力作用，運（yùn）動狀態發生變化，其變化量的大（dà）小與質量有關。測量運動狀態對時間的變化率，即可測得質量流量。動量矩式流量計（jì）利（lì）用流體動（dòng）量矩的變化反映質量（liàng）流量，其典型結構是在儀表殼內有一個主動輪（lún）和一個從動輪（lún），分別裝在兩短軸上。動量矩（jǔ）式流量計有兩種（zhǒng）形式，一種（zhǒng）是采（cǎi）用電動機（jī）以恒定角速度 ω 驅動主（zhǔ）動輪，需要外能源。例如（rú）斯貝發動（dòng）機安裝（zhuāng）的插入式（shì）電磁流量計。另一種是采用（yòng）簧（huáng）片控製燃油通量，從而控製（zhì）主動輪（lún）與從動輪的轉速，此種質量流（liú）量控製方法（fǎ）采（cǎi）用流體自身能量控製主（zhǔ）動輪與從動輪恒速。其主要原理是（shì）測量部件由（yóu）兩個用渦圈彈簧連（lián）接的渦輪（主動輪與從動輪）構成（chéng），渦輪受流體本身的流動能量衝擊而旋轉，兩渦輪葉片旋轉傾（qīng）角不同而造（zào）成的力矩差由連接的渦圈彈簧平衡，使兩渦輪間形成扭角。扭角的大小反映質量（liàng）流量的大小。測量扭角造成的信號時（shí）間差，即可（kě）測（cè）得質量流量。直接式質量流量流量計精度高（一般在 0.5% 左右，且不受溫（wēn）度和燃油品質變化的影響）、體積小、重量輕、可靠性高，因此廣泛地應用（yòng）於波音、空客以（yǐ）及新一（yī）代戰鬥機上。
我國機載燃油流量測量主要是體積式（shì）流量（liàng）測量，所采用的間接式質量流量測量，僅是測仿俄羅斯 д30 發動機的容積（jī）流（liú）量 - 密度計組合式（shì）插入式電磁流量計。至今，直接式（shì）流量測量剛開始起步（資料收集、方（fāng）案（àn）論證階段），且未應用（yòng）在任何（hé）國產飛機（發動機）上。
1 插入（rù）式電磁流（liú）量計結構及測量工作原理
插入式電磁流量計（jì）主要由機械組合件、殼體組合件、出口（kǒu）殼體組合件及外殼組（zǔ）合件（jiàn）等組成。
機械組合件（jiàn）沿殼體組合（hé）件的中心軸安裝（zhuāng），把流經插入（rù）式電磁流量計的燃油（yóu）質量流量轉換成在（zài）其上旋轉的兩個磁鐵間的（de）角度偏（piān）移量 φ。磁鐵轉過（guò）插入式電磁流（liú）量計殼體（tǐ）組合件上的兩感應線（xiàn）圈時，感應線圈產生（shēng）並輸出（chū）脈衝信號。兩（liǎng）個脈衝之（zhī）間存在一個時間差 △t，差值與兩個磁鐵間角（jiǎo）度偏移量和質量流率成正比例（lì）關係。
1.1 工作原（yuán）理
燃油從殼體組合件的（de）入口端流入，流過（guò）殼體組合（hé）件上的（de）整（zhěng）流體時，整流體對燃油進行整（zhěng）流，使流量相（xiàng）對平穩（wěn）而不紊亂。隨後，燃油再流過（guò）機械組合件（jiàn）。在機械組合件的出口端，旋形帽的螺旋（xuán）槽將（jiāng）流過的燃油改變流動方向，方向與渦（wō）輪的（de）葉片形成一定的夾角 θ。當燃油流過（guò）渦輪時（shí），使渦（wō）輪獲得一個（gè）角動量開始旋轉，從（cóng）而使機械組合件活動部件隨著旋轉。
1.2 燃油流速的測量
為了推導渦輪轉速和燃油質量流率的關係，可先將渦輪展開（kāi），渦輪帶（dài）箭頭的斜線表示燃油流向。如果渦輪固定不動，流體流過葉片時將受到阻力，則（zé）當燃油離開渦輪的葉片時，將產生一個切向速度 V。

式中： v為流入流量計（jì）的（de）燃油（yóu）流速平均值（zhí）；θ為渦輪葉片與燃油之間的夾角。
假設渦輪負載為零，這時的（de）切（qiē）向速度就是渦輪的切向速度。在這種情況下，燃油中某一油（yóu）分子由 a 點流到b 點，渦輪正好轉過一個葉片。因此（cǐ），燃（rán）油經過渦輪時部被扭曲，滿油能量損失，渦輪的理論旋（xuán）轉角速度公式（shì）：

式中：r 為渦輪葉片的平（píng）均半徑。
從以上可以看出（chū），渦輪將（jiāng）燃油流（liú）速轉換為渦輪的轉速，當流（liú）入插（chā）入式電磁流量計的燃油流率一定，則渦（wō）輪的轉速（sù）n 恒（héng）定不（bú）變。
1.3 轉速的控製
支柱組合件的厚簧（huáng）片和薄簧（huáng）片隨燃（rán）油流量的增加或減少而張開或閉合。小流率時，厚簧片和（hé）薄簧片處（chù）於閉合狀態，所以多數流量由旋形帽的（de）螺旋槽導流。流率小時，流（liú）率（lǜ）增加會使渦（wō）輪轉速快速增加。大流率時，厚簧片和薄簧片張開（kāi），不接觸（chù）旋（xuán）形帽表（biǎo）麵，部分流量不受螺旋形槽的影響（xiǎng）。
1.4 質量流量（liàng）與葉輪偏（piān）轉角的（de）換算
假（jiǎ）設渦輪固定不動，燃油流過渦輪的葉（yè）片時將（jiāng）受到阻力（lì），則當燃油（yóu）離開渦（wō）輪的葉片時，將產生（shēng）一個切向動量 mv，這個動量即為（wéi）渦輪獲得衝量 。

式中：I 為渦圈彈簧材料（liào）截麵慣性（xìng）矩；φ 為渦圈彈簧變形（xíng）角；T ＇為作用（yòng）在渦圈彈簧上的力矩；l 為渦（wō）圈彈簧工作圈展開長度；E 為渦圈彈簧材料彈性模量。
2 信號采集
燃油入口端，軸（zhóu）組（zǔ）合件的軸肩上（shàng）安裝了一個起始磁鐵。渦輪旋（xuán）轉帶動軸組合件一起旋轉，當起始磁鐵每次經過起始線圈組（zǔ）合（hé）件時，起始線圈組合件將產生一個起始脈衝信號。燃油出口（kǒu）端，葉輪組合件的葉（yè）輪罩安裝了一個終（zhōng）止磁鐵。軸組合件（jiàn）通過渦圈彈簧帶動葉輪組合（hé）件旋（xuán）轉，當終止磁鐵（tiě）經（jīng）過終止線圈組合件時，終止（zhǐ）線圈組合件將產生（shēng）一個終止脈衝信號。根據渦圈彈簧的（de）工作（zuò）原理，在（zài）力矩 T ＇的作用下，渦圈彈簧的角偏移量 φ 即為起始磁（cí）鐵與終止磁鐵之間的角偏（piān）移量。當渦輪以角速度ω旋轉時，起始脈衝信號與終止脈衝信號之間的（de）時間差△ t：

從式（15）中可以得出，當（dāng）渦（wō）圈彈簧材料和形狀確定和渦輪（lún）外形尺寸確定的情況下，時間差△ t 與通過的燃油質量 m 成正比（bǐ）例關係，則測量（liàng）起始脈衝信（xìn）號與終止脈衝（chōng）信號的時（shí）間差△ t，即可得出通（tōng）過流量計的燃油質量 m。
3 信（xìn）號檢測
將插（chā）入式電磁流量計流量與相（xiàng）關測（cè）試設備（bèi）連（lián）接起來，就可以進行插入式電磁流量計（jì）的校準，時（shí）間差△ t 由專用試（shì）驗測試設備可以測出。起始脈衝信號和（hé）終（zhōng）止（zhǐ）脈（mò）衝信（xìn）號如圖 1 所（suǒ）示。經（jīng）過專用試驗測試設備信號轉化後的（de）信號（hào）方波如圖（tú） 2 所示。

4 結束語
文章介紹（shào）了插（chā）入式電磁流（liú）量計的測量原理及組成，分析了插入式電磁流量計的工作過程（chéng），重點討論了工作原理和信號采集原理。插入式電磁流量計抗外界（jiè）幹擾能力強，測量精度高、易（yì）實（shí）現實時（shí）測量，可滿足航空飛行複雜環（huán）境的需求。

上一篇：在石油化工中dn50電磁流量計的（de）應用與過程控（kòng）製

下一（yī）篇：dn50汙（wū）水流量計的工作原理及勵磁技術發展和趨勢