水表的原理与结构

第二讲水表的结构和工作原理文字信息修改时间:2007-10-2014:13:02信息来源:添加人:詹志杰[特约嘉宾]第一节旋翼式水表旋翼式水表是速度式水表的一种，是世界上用得最多的水表品种。在国家标准中，速度式水表的定义为“安装在封闭管道中，由一个动力元件组成，并由水流速直接使其获得运动的一种水表”。当水流通过水表时，驱动叶轮(旋翼或螺翼)旋转，而水流的流速与叶轮的转速成正比，因水流驱动叶轮处喷口的截面积为常数，故叶轮的转速与流量也成正比。通过叶轮轴上的联动部件与计数机构相连接，使计数机构累积叶轮(旋翼或螺翼)的转数，从而记下通过水表的水量。一、多流束水表多流(束)水表：水流通过水表时，有多束(股)水流从叶轮盒四周流人，驱动叶轮旋转。这种水表的公称口径一般为15mm～150mm。旋翼多流束式水表由表壳、中罩、表玻璃、密封垫圈、计量机构、计数机构和滤水网等组成。水流冲击叶轮后，叶轮开始转动，所转圈数通过计数机构累计，记录显示通过水表的水量。见图2-1和2-2。图2－l旋翼多流束水表的结构示意图1-接管；2-连接螺母；3-接管密封垫圈；4-铅封；5-铜丝；6-销子；7-O形密封垫圈；8-叶轮计量机构；9-罩子；10-盖子；11-罩子衬垫；12-表壳；1-碗状滤丝网图2—2旋翼多流束水表的结构展开图1－表盖；2－轴销；3－铜罩；4－罩子衬垫；5－表玻璃；6－O形密封圈；7－计数器；8－防磁环；9－中心齿轮，10－齿轮盒；11－垫圈；12－磁钢座；13－叶轮；14－叶轮盒；15－表壳；16－调节螺钉；17－调节螺钉垫片；18－调节塞；19－滤水网；20－接管垫片；21－接管；22－连接螺母多流束水表的总体尺寸和连接方式见表2—1。表2—Ⅱ旋翼式多流束水表的总体尺寸和连接方式mm各部件的作用、所用材料如下：1表壳、中罩、表玻璃表壳、中罩、表玻璃和密封垫圈一起组成一密封体，使表壳内被测水不致渗漏至表外。按国家标准规定，水表应能承受水压1.6MPa、持续15min和水压2.0MPa、持续1min的压力试验。因此，表壳、中罩和表玻璃均应满足上述要求。表壳材料一般采用灰铸铁(HTl50，见GB9436—1988)或铸造铅黄铜(ZcuZn40Pb2，见GBll76—1987)。中罩材料一般采用铸造铅黄铜(ZcuZn40Pb2，见GB1176—1987)。表玻璃应采用符合JB/T8480—1996的钢化玻璃。2计量机构计量机构主要由齿轮盒、叶轮盒、整体叶轮、顶尖、调节板等组成，见图2—3。计量机构是水表的“心脏”，它对水表的计量性能和耐用性起着关键的作用。图2—3旋翼式水表计量机构图1-齿轮盒：2-整体叶轮；3-叶轮盒；4-顶尖，5-调节板(1)齿轮盒计数器置于齿轮盒中，与齿轮盒上部的内孔相配合。齿轮盒下部有一凸台，与叶轮盒相配合。齿轮盒在旋翼多流水表的机芯中，起着承下启上的作用。为此，要求齿轮盒上部内孔与下部凸台间应有良好的同轴度。另外，齿轮盒外壁应有定位线或底部有定位键，以保证与叶轮盒配合时的定位要求，从而确保性能的稳定。旋翼式水表的齿轮盒底部一般均有三条左右的固定筋，其主要作用是，当水表在大流量运转时，对叶轮旋转起阻尼作用，以改善水表在大流量区域的性能曲线。因为当很小的流量通过水表时，其流速很低，水流的动能极小，不足以克服叶轮的惯性，故叶轮未转动。待稍加大流速，叶轮虽转动，但不能准确计量，故最小流量以下的流量范围水表呈偏慢的现象。此后逐渐加大流速，水表向快的趋势发展，如果没有齿轮盒上的筋加以阻尼，则这种趋势将会持续下去，直至偏快10％～15％左右后(与有筋阻尼相比较)，其性能曲线才会趋向平稳。水流从叶轮盒进水孔流人后，一方面驱动叶轮旋转，另一方面水流本身呈螺旋形上升，并从叶轮盒出水孔排出。在小流量时，因水流流速低，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙处的水流呈层流状态，水的粘性作用占主要地位，齿轮盒上的筋对叶轮转速无影响。当流速大到一定程度时(一般为0.7m／s左右)，间隙处水流从层流过渡到湍流，造成齿轮盒若干条筋的下方产生旋涡，使叶轮转速有所减低。同时，因流速增大，在叶轮盒内呈螺旋上升的水流，有一部分冲到齿轮盒筋反射回来，其方向却与叶轮旋转方向相反，故又使叶轮转速降低，使水表不致于出现没有齿轮盒筋那样快10％～15％后才使误差趋向平稳的现象。变化示意见图2—4。图2—4齿轮筋对性能曲线的影响齿轮盒底部装有三块可任意调节角度的调节板，其作用是通过调整调节板角度，以改变水流从调节板反射回来时反作用力的大小，即改变水流对叶轮转速阻尼力的大小，达到调节大流量区域误差的目的。这种调节对小流量区域影响不大。(2)叶轮盒叶轮盒是计量机构中最关键的部件。叶轮盒上部内孔与齿轮盒下台肩相配合。在叶轮盒低部中心一般有一螺孔，与顶尖相配合。但有些水表不用螺纹配合，而采取过盈配合，将顶尖用力压人。叶轮盒上部内孔与顶尖应具有良好的同轴度。在叶轮盒四周有两排斜孔，下排为进水孔，上排为出水孔，前者比后者对水表计量特性与压力损失的影响，更为至关重要。进水孔一般在叶轮盒注塑时一次成型为矩形孔或长方孔。进水孔可以均匀分布于叶轮盒的四周，也可在叶轮盒四周呈对称排列。叶轮盒底部有若干条筋(一般为3条或6条)，与齿轮盒上的筋作用相仿，主要是对水表在小流量区域运转时，使水流对叶轮转速产生阻尼。因此，调整叶轮下平面与叶轮盒筋之间的间隙，将会对小流量区域的示值误差产生影响。同时，当用水设备一旦关闭，水流不再流经水表时，由于筋的阻尼作用，能较快地克服叶轮的惯性，使其迅速停止转动，达到准确计量的目的。对于内部调节式水表而言，在叶轮盒底部有若干个调节孔，如LXS-15C～20C水表的叶轮盒底部，均布有三排、每排二只的调节孔。调节孔有斜孔和直孔两种，如两者截面积相同，则后者比前者具有更大的调节功能，同时，在误差调节时，直孔比斜孔显得更敏感，在微量调节时比较难掌握。(3)叶轮无论是整体叶轮，或是组合叶轮，均要求叶轮上端的轴与下部的叶轮衬套孔(甚至玛瑙轴承窝)之间，应有良好的同轴度。旋翼式水表所用的叶轮的形状为直板形。叶轮受到水流冲击后旋转，与叶轮轴和轴上的中心齿轮同时转动。对于大多数水表来说，在常用流量时，水表叶轮的转速，一般在750—900r／min。所以希望叶轮具有较好的动平衡性能，以减少运动副之间的磨损，提高水表使用寿命。(4)顶尖顶尖安装在叶轮盒底部的中心，在叶轮轴的下部，用于支撑叶轮转动。顶尖的最上尖部与叶轮轴的下端凹轴承直接形成点滑动接触，以便使叶轮转动更加灵敏。除了顶尖头、轴与螺纹间应具有良好的同轴度外，顶尖头的材质应具有很高的耐磨性能，一般以特殊配方的硬质橡胶棒、聚甲醛等材料较佳。值得注意的是，不能片面追求水表的灵敏度(始动流量值)而将顶尖头做成很尖。否则，经短时间使用，顶尖头即会磨损，使水表出现大流量区域变快、最小流量时变慢的情况。这是因为在上述两种流量下，叶轮旋转时呈下沉状态，即叶轮玛瑙轴承与顶尖头相接触，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙增大，水流对叶轮转速的阻尼减小，水表在大流量区域变快。而小流量时，叶轮下平面与叶轮盒筋的间隙减小，水流对叶轮转速的阻尼增大。同时，顶尖头的磨损，使叶轮与顶尖的磨擦阻力增大，在两者的共同作用下，即造成水表在最小流量时变慢和始动流量值增大。如果顶尖头严重磨损，即使在大流量情况下，其磨擦阻力的影响会达到或超过水流对叶轮转速阻尼减小的影响，水表在大流量时的误差又会恢复到准确或变慢。3计数机构计数机构常称为计数器，常见的形式有指针式、字轮式和指针字轮组合式。(1)指针式计数机构指针式计数机构一般由上夹板、下夹板、托板、齿轮级、标度盘、指针、圆指针及螺钉等组成。a．上夹板、下夹板夹板、下夹板和托板三者(有些产品将下夹板和托板合二为一)组成齿轮架，齿轮组被夹持在其中。上、下夹板上相对应序号的轴孔投影，应分别重合。齿轮在齿轮架中的上、下窜量应保持在0．6—0．8mm之间，若窜量过小，当上夹板一旦变形下凸时就会将齿轮上、下夹紧，齿轮组传动阻力就增大，水表的始动流量和最小流量下的误差就达不到要求。上夹板下面中心有一凸台，其中有一孔与叶轮上端的光轴组成运动副。上夹板中心孔与其外圆(与齿轮盒配合处)要求具有良好的同轴度。b．齿轮齿轮组起着变速和计数作用。公称口径15～50mm水表的齿轮组，均由17只齿轮组成。公称口径80～150mm旋翼式水表的齿轮组由18个齿轮组成。图2-5为LXS-15C～25C水表的齿轮排列图。如图所示，叶轮轴上的中心齿轮与第一位齿轮相啮合,齿轮组将叶轮转数记录下来，通过指针在度盘上指示出流经水表的水量。齿轮组的前三位齿轮为变速齿轮，起变速作用。自第三位(即第一位红针的)齿轮的主动轮(即小齿)起，直到末位齿轮止，起计数作用，称为计数齿轮，其相邻的两指针的齿轮间，其速比均为10:1，由此构成连续十进位方式。齿轮排列展开图图2-5LXS-15C～25C水表的齿轮排列图和标度盘1-螺钉；2-圆指针；3-指针；4～10-齿轮；11-标度盘；12-上夹板；13-下夹板；14-托板；15-螺钉不同规格的水表，在通过等量水体积的情况下，其叶轮与第一位指针的转数比是不同的。变速齿轮的作用是通过其主、被动轮的齿数变化，取得不同的速成比而满足不同规格水表的需要，从而可最大限度地提高上、下夹板、度盘等零部件的通用化程度。习惯上将水表第一位红指针转一圈与其叶轮的转数之比，称为该水表的减速比i。这一减速比为主动轮齿数与被动轮齿数之比。LXS-15C，20C，25C，40C的i值分别为1：29．6，1：22．5，1：15．577，1：35．38，LXS-80。100，150的i值分别为1：100．905、1：61．1819、1：24．716。从这些减速比值，可计算出各种规格水表在各种流量下的叶轮转速。例如，要计算LXS一15C水表在常用流量(1．5m3／h)下的叶轮每分钟转速时，可按下式计算：同理，可得到LXS一20C，25C，40C规格的水表在常用流量下的叶轮转速为937．5，908．7和589．67r／rain。c．标度盘标度盘的分格，一要满足检定时的分辨率要求，二要满足在水表正常的使用年限内水表的显示数不返回零。1m3及其倍数的指针和度盘用黑色，1m3以下的用红色。规程JJGl62—1985和标准GB／T778—1996规定：水表最小分度值(水表标准称为检定分格值)应满足检定时的准确度不低于o．5％(每一次读数允许有不超过1／2最小分度值的允许读数误差)，以及最小流量检定所需时间不应超过1h30min；应能在不越过零的情况下记录下相当于在常用流量下工作至少1999h的以立方米表示的用水量体积。说明：国际建议OIMLR49一l：2000(E)中的表述为“检定标尺的分格值，应足够小以保证指示装置的分辨率误差不大于最小流量Ql下运行lh30min的实际体积的0．5％(对2级表)”，这样的表述更准确。LXS-15C～25C水表的标度盘如图。2—6所示。在水表检定时，要注意最小分格值的读数，见图2—6所示。水表最小位圆标度的主分格值为0．0001m‘(或称0．11)，其间一分为二作为细分格，则成为检定分格或最小分度值0．00005m3。根据人机工程学原理，为取得较快的读数，采取二步内插法，即根据目测，将细分格再假想插入一条等分中线。如果指针指向小于(或等于)细分格中的假想中线，则读取下限分格值，如图2—6(a)应读作0．00005m3，如果指针指向大于(或等于)细分格中的假想中线，则读取上限分格值，如图2—6(b)中应读为0．00010m3。图2-6水表标度盘读数检定分格值、检定用水量、检定所需时间三者互为联系、互相牵制，在水表的检定分格值设计、检定用水量的确定及水表检定装置的量器量限设计时都需考虑。检定分格值应符合表2-2的要求。水表的十进位数应符合表2-3的要求。表2—2水表的检定分格值最小流量qmin／(m3／h)检定分格的最大值／m30.0226≤qmin0.06660.00020.0666≤qmin0.1330.00050.133≤qmin0.2660.0010