摘要：渦輪流量計是一種能夠測量多種介質(zhì)且穩定性好、準確度高的計量?jì)x表。特別適宜于計量粘度不高的輕質(zhì)油類(lèi)和腐蝕性不大的酸堿性液體，同時(shí)它也具有較好的線(xiàn)性輸出參數，當渦輪流量計與具有多功能、多參數的顯示儀表組合為計量?jì)x表時(shí)，就能夠對被測物理量的累積流量、瞬時(shí)流量等進(jìn)行準確計量。通過(guò)對渦輪流量計及顯示儀表工作原理的分析，可以掌握在實(shí)際使用中對多種參數的選擇、調節、設定,大大提高計量準確性。

低溫渦輪流量計(以下簡(jiǎn)稱(chēng)流量計)是以流體動(dòng)量矩原理為基礎的流量計量?jì)x表。有些科技文獻又將其劃分為速度式儀表，因為在一定的流量范圍內，流量計的轉動(dòng)速度與流體的流速成比例關(guān)系。

流量計使用中的主要特點(diǎn)：體積??；重量輕；準確度高(有的流量計可以當作計量標準儀表)；反應時(shí)間快(有些可達到毫秒級)；量程比寬(一般為10∶1)；壓力損失??；適用工作流體溫度高；輸出為脈沖信號，故不易受到干擾；可以長(cháng)距離傳輸，便于各種參數處理。當它與多功能、多參數的顯示儀表(以下簡(jiǎn)稱(chēng)儀表)組合使用時(shí)，可以同時(shí)對累積流量、瞬時(shí)流量或流體溫度、內部壓力等參數進(jìn)行測量及分析、調節。

1、流量計的工作過(guò)程

流量計通常由渦輪(機械部分)、磁電轉換器、放大機構(電子部分)等組成。

當流體流經(jīng)安裝在管道里的渦輪，即流經(jīng)渦輪葉片與管道之間的間隙時(shí)，由于流體的沖擊作用，使得渦輪圍繞軸心發(fā)生旋轉。同時(shí)實(shí)驗表明，渦輪旋轉的轉數與介質(zhì)流體的體積流量呈現近似的線(xiàn)性關(guān)系。再將渦輪的旋轉通過(guò)磁電轉換器變換成相對應的電脈沖信號，以此脈沖信號經(jīng)電子放大機構放大后，即可輸送顯示儀表進(jìn)行多參數物理量的指示。

由前可知，在測量范圍內，渦輪的轉速與流量成正比，而信號的脈沖數則與渦輪的轉速成正比。所以，當我們檢測出信號脈沖總數以后，除以?xún)x表常數ξ(次/升)，便可計算得到該段時(shí)間內的介質(zhì)流體總量V(升)，即：

V=N/ξ(L)   (1)

舉一例：流量計ξ為180次/L，用儀器測出在10min內儀表計算得的脈沖數為7200次，則10min內管道中流過(guò)流體的總量為：

V=N/ξ=7200次/180次/L=40L

2、渦輪旋轉的基本原理

流量計主要組件包括：導流體組件、渦輪組件、殼體、磁電轉換器和放大機構等。通過(guò)對流體流過(guò)管道及渦輪結構的分析，我們可以得出，當流體沿管道的軸線(xiàn)方向流動(dòng)而沖擊渦輪葉片時(shí)，便有與流量Q、密度φ和流速V的乘積成比例的力作用于葉片上，推動(dòng)渦輪旋轉。

如圖2所示，由于渦輪對流體是作相對運動(dòng)，如果渦輪旋轉的圓周速度V=w·r與軸線(xiàn)平行的流速與葉片的夾角為θ，流通面積為A，則介質(zhì)流速V=Q/A，則推動(dòng)渦輪旋轉的力矩M可用下式表示：

M=K1·tgθ·rρQ²/A–ωr²ρQ   (2)

式中：K1——與流量計結構尺寸、流體質(zhì)量、狀態(tài)有關(guān)的參數；r——平均半徑,常取葉片寬度1/2到中心的距離。

由(2)式可知，力矩M除與流量Q有關(guān)外，與流體介質(zhì)密度ρ、流動(dòng)狀態(tài)與流向等多個(gè)因素有關(guān)。

在渦輪旋轉時(shí)，除推動(dòng)渦輪旋轉的轉動(dòng)力矩M外，還同時(shí)存在阻礙渦輪旋轉的阻力矩，其中包括：介質(zhì)粘度對渦輪摩擦引起的阻力矩M1，軸承摩擦引起的阻力矩M2，磁電轉換器引起的磁電反應阻力矩M3。根據動(dòng)量矩守恒原理，渦輪的運動(dòng)方程式可以用以下函數關(guān)系式表示：

Jdω/dt=M-M1-M2-M3   (3)

式中：J——渦輪的轉動(dòng)慣量；dω/dt——渦輪的角加速度。

由(3)式可知，當dω/dt為零時(shí)，渦輪以角速度ω作勻速轉動(dòng)；當流量發(fā)生變化時(shí)，dω/dt≠0，渦輪將作加速旋轉運動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，隨著(zhù)流量的穩定，渦輪又會(huì )達到新的力矩平衡狀態(tài)，即dω/dt又等于零值。就是說(shuō)，渦輪將以另一新的角速度勻速旋轉，以適應新的流量，并出現了新的穩定狀態(tài)。

通過(guò)分析和計算可知，在dω/dt=0時(shí)，渦輪轉動(dòng)角速度ω與體積流量Q有如下式的近似關(guān)系：

ω=ξQ-ξa   (4)

式中：a——與流量計結構參數、流體介質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數；ξ——流量計轉換系數，當介質(zhì)流量大于某一數值時(shí)，在一段區間內可以近似看作為一常數，有時(shí)也稱(chēng)為儀表常數。

儀表常數ξ是流量計重要的特性參數，由于流量計是通過(guò)磁電轉換器將角速度ω轉換成相應的脈沖數，因而我們可以把ξ看成是單位體積流量Q通過(guò)流量計時(shí)，轉換器輸出的脈沖數(脈沖數/升)，故也稱(chēng)為流量系數。流量計作為產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)，生產(chǎn)單位則是測取測量范圍內的轉換系數平均值作為儀表常數，因而可以認為流體總量V與脈沖數N的關(guān)系，如(5)式所示：

V=N/ξ   (5)

3、磁電轉換器的工作過(guò)程

磁電轉換器工作時(shí)如圖3所示。

當流體通過(guò)渦輪葉片時(shí)，渦輪5將發(fā)生旋轉運動(dòng)，葉輪片4將周期性切割磁鋼1而產(chǎn)生磁力線(xiàn)3，從而改變通過(guò)線(xiàn)圈2的磁通量，根據電磁感應原理，在線(xiàn)圈內將感應出脈動(dòng)的電勢信號。不難理解，脈動(dòng)電勢信號的頻率與渦輪旋轉的角速度ω成正比，即與被測介質(zhì)的流量Q成正比。通過(guò)放大機構(電子部分)將上述脈沖信號放大到1V左右脈沖電壓，傳送給顯示儀表，即可顯示出被測介質(zhì)的流量數據。

4、流量計顯示儀表工作原理

根據我們對流量計工作原理的分析和探討，得知流量計輸出的信號是電脈沖數，因此儀表就是將單位時(shí)間的輸出脈沖和輸出脈沖的總數轉換成瞬時(shí)流量和流體總量，并把以上數據進(jìn)行分析后通過(guò)數字量顯示。因而儀表的組成可以用圖4所示的方框圖表示：

4.1 瞬時(shí)流量指示

瞬時(shí)流量指示的實(shí)質(zhì)，就是對瞬時(shí)頻率、脈沖信號的指示，是將信號處理后的頻率、脈沖線(xiàn)性地轉換成直流電信號而指示相應的流量參數。如果是模擬儀表，標尺常以頻率(Hz)數值分度，指示的頻率值f除以流量計儀表常數ξ就能夠得到瞬時(shí)體積流量值Q。如圖5所示的頻率瞬時(shí)指示原理方框圖。

經(jīng)過(guò)整形后的輸入頻率(脈沖)作用于計算電路的輸入端T，使電路中交替出現截止或導通兩種狀態(tài)，放大器輸出端脈沖波形被整形，與T的波形相反，當放大電路出現截止狀態(tài)時(shí)，電源E通過(guò)外圍電路(或集成內部)在儲能電容C中預存電荷；當放大電路出現導通狀態(tài)時(shí)，C預存的電荷通過(guò)外圍電路(或集成內部)迅速釋放。就這樣輸入的頻率(脈沖)經(jīng)過(guò)電子電路改變?yōu)榕c之相對應的電流信號。電路里的電流指示儀表4即刻顯示該計量電流值I的多少，I=q/T，而q=C·E，f=1/T(q為一個(gè)脈沖周期電容所充電荷量；C為電容量；E為電源電壓值；f為充放電頻率)。合并三式可得到公式(6)：

I=C·E·f   (6)

由公式(6)可知，當電源電壓E和電容量C為常數時(shí)，電流I與輸入脈沖的頻率f成正比，當更改外圍電路(或集成內部)儲存電荷的電容C(1~n)參數或連接方式以及改變電路數據時(shí)，就可以得到不同介質(zhì)的流量測量范圍。在有些流量計結構中，為了便于檢查指示儀表是否工作正常，在放大器輸入端設置有自檢電路裝置。它將振蕩器產(chǎn)生的恒定頻率脈沖信號送入后置電路，實(shí)現自動(dòng)檢測工作正常與否的目的。4.2 總量積算

前述我們介紹了流量計工作原理，通常還要計量在一定時(shí)間范圍內，流量計流過(guò)介質(zhì)的體積或質(zhì)量的累積量，因此顯示儀表具有累積計算功能。下面我們根據流量計實(shí)際工況對一種累積值計算方法的實(shí)現進(jìn)行分析。

圖6為一種應用除法方案進(jìn)行累積計算的組成原理圖。

由圖6可知，此積算器構成中包括了整形、累積脈沖計數、系統設定、總量積算、軟件數據的控制等。其4個(gè)輸出端分別與四層波段開(kāi)關(guān)的各層相連，通過(guò)軟件控制，組成了系統設定器。根據流量計系數ξ的值，可以在0~9999(其他參數也可以)之間任意選擇設定系數。

由放大電路機構輸出的脈沖信號，經(jīng)整形處理后，成為具有一定幅值和能滿(mǎn)足前沿要求的脈沖信號，將此信號轉入換算電路機構，它每輸出一個(gè)脈沖信號便拖動(dòng)計數電路機構統計一個(gè)數碼參數，同時(shí)軟件功能即可識別紀錄出一個(gè)數字量，表明已經(jīng)有一個(gè)單位介質(zhì)體積的流量流過(guò)流量計。此時(shí)換算電路單元輸出的信號直接改變觸發(fā)穩態(tài)電路，使各計數參數值恢復到起始的“零”狀態(tài)，重復此過(guò)程即完成了累積脈沖的積算，就是對累積流量介質(zhì)的積算。

例如：口徑為80mm的流量計，流量系數ξ為16.25脈沖/升，通過(guò)軟件將系數設定分別置于1、6、2、5，則每當計數器收到1625個(gè)脈沖信號的瞬時(shí)，軟件操作發(fā)出指令并輸出一個(gè)固定頻率信號，使電路狀態(tài)發(fā)生變化，使計數電路結構統計一個(gè)計量單位，從而實(shí)現了逢K進(jìn)一的累計運算，顯示儀表就能夠顯示出流體介質(zhì)總量。

通過(guò)上例分析可知，如果流量計輸送到顯示儀表的脈沖總數為N，經(jīng)換算后，送到總量積算器的脈沖數為Nc，則流體介質(zhì)計量總量為：

V=N/ξ=N/ξ·10m/10m=N/K·10m   (7)

式中：K為設定系數，(K=10m·ξ)；m為整數。

本除法方案設定系數的方式較為簡(jiǎn)單，穩定性比較好，電路容易實(shí)現，可以直接將流量系數ξ輸入軟件中，控制系數設定器，積算器就可以逢K進(jìn)一，顯示儀表指示出流體介質(zhì)總量。

5、結束語(yǔ)

本文對流量計和儀表的工作原理進(jìn)行了分析，總結了其工作過(guò)程。重點(diǎn)對參數設定方法、電路組成及作用等進(jìn)行了說(shuō)明。文章對測量不同介質(zhì)狀態(tài)下選擇流量計以及使用方法和過(guò)程調試具有一定指導意義。