李曉仲，寧書(shū)巖，郭 彤

(天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津 300192)

渦輪流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)流量計(jì))是以流體動(dòng)量矩原理為基礎(chǔ)的流量計(jì)量?jī)x表。有些科技文獻(xiàn)又將其劃分為速度式儀表，因?yàn)樵谝欢ǖ牧髁糠秶鷥?nèi)，流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與流體的流速成比例關(guān)系。

流量計(jì)使用中的主要特點(diǎn)：體積??；重量輕；準(zhǔn)確度高(有的流量計(jì)可以當(dāng)作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀表)；反應(yīng)時(shí)間快(有些可達(dá)到毫秒級(jí))；量程比寬(一般為10∶1)；壓力損失?。贿m用工作流體溫度高；輸出為脈沖信號(hào)，故不易受到干擾；可以長(zhǎng)距離傳輸，便于各種參數(shù)處理。當(dāng)它與多功能、多參數(shù)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(duì)累積流量、瞬時(shí)流量或流體溫度、內(nèi)部壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量及分析、調(diào)節(jié)。

1 流量計(jì)的工作過(guò)程

流量計(jì)通常由渦輪(機(jī)械部分)、磁電轉(zhuǎn)換器、放大機(jī)構(gòu)(電子部分)等組成。

圖1 流量計(jì)構(gòu)成圖Fig.1 Constitution of a flowmeter

當(dāng)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(zhuǎn)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)與介質(zhì)流體的體積流量呈現(xiàn)近似的線(xiàn)性關(guān)系。再將渦輪的旋轉(zhuǎn)通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換器變換成相對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，以此脈沖信號(hào)經(jīng)電子放大機(jī)構(gòu)放大后，即可輸送顯示儀表進(jìn)行多參數(shù)物理量的指示。

由前可知，在測(cè)量范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比，而信號(hào)的脈沖數(shù)則與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。所以，當(dāng)我們檢測(cè)出信號(hào)脈沖總數(shù)以后，除以?xún)x表常數(shù)ξ(次/升)，便可計(jì)算得到該段時(shí)間內(nèi)的介質(zhì)流體總量 V(升)，即：

舉一例：流量計(jì)ξ為 180次/L，用儀器測(cè)出在10,min內(nèi)儀表計(jì)算得的脈沖數(shù)為7,200次，則10,min內(nèi)管道中流過(guò)流體的總量為：

V＝N/ξ＝7,200次/180次/L＝40,L

2 渦輪旋轉(zhuǎn)的基本原理

流量計(jì)主要組件包括：導(dǎo)流體組件、渦輪組件、殼體、磁電轉(zhuǎn)換器和放大機(jī)構(gòu)等。通過(guò)對(duì)流體流過(guò)管道及渦輪結(jié)構(gòu)的分析，我們可以得出，當(dāng)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(zhuǎn)。

圖2 渦輪旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生示意圖Fig.2 Schematic diagram of the generation of a turbine’s spinning activity

如圖 2所示，由于渦輪對(duì)流體是作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果渦輪旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的力矩M可用下式表示：

式中：K1——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、流體質(zhì)量、狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)；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(zhuǎn)時(shí)，除推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 M外，還同時(shí)存在阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)的阻力矩，其中包括：介質(zhì)粘度對(duì)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(zhuǎn)換器引起的磁電反應(yīng)阻力矩M3。根據(jù)動(dòng)量矩守恒原理，渦輪的運(yùn)動(dòng)方程式可以用以下函數(shù)關(guān)系式表示：

式中：J——渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；dω/dt——渦輪的角加速度。

由(3)式可知，當(dāng) dω/dt為零時(shí)，渦輪以角速度ω作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，dω/dt≠0，渦輪將作加速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，隨著流量的穩(wěn)定，渦輪又會(huì)達(dá)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(zhuǎn)，以適應(yīng)新的流量，并出現(xiàn)了新的穩(wěn)定狀態(tài)。

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

式中：a——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體介質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)；ξ——流量計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)，當(dāng)介質(zhì)流量大于某一數(shù)值時(shí)，在一段區(qū)間內(nèi)可以近似看作為一常數(shù)，有時(shí)也稱(chēng)為儀表常數(shù)。

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

3 磁電轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程

磁電轉(zhuǎn)換器工作時(shí)如圖3所示。

當(dāng)流體通過(guò)渦輪葉片時(shí)，渦輪 5將發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jù)電磁感應(yīng)原理，在線(xiàn)圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動(dòng)的電勢(shì)信號(hào)。不難理解，脈動(dòng)電勢(shì)信號(hào)的頻率與渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度ω成正比，即與被測(cè)介質(zhì)的流量 Q成正比。通過(guò)放大機(jī)構(gòu)(電子部分)將上述脈沖信號(hào)放大到 1,V左右脈沖電壓，傳送給顯示儀表，即可顯示出被測(cè)介質(zhì)的流量數(shù)據(jù)。

圖3 磁電轉(zhuǎn)換器工作示意圖Fig.3 Working scheme of a magneto-electricity transducer

4 流量計(jì)顯示儀表工作原理

根據(jù)我們對(duì)流量計(jì)工作原理的分析和探討，得知流量計(jì)輸出的信號(hào)是電脈沖數(shù)，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(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)流量和流體總量，并把以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后通過(guò)數(shù)字量顯示。因而儀表的組成可以用圖4所示的方框圖表示：

圖4 儀表構(gòu)成框圖Fig.4 Block diagram of an instrument’s constitution

4.1 瞬時(shí)流量指示

瞬時(shí)流量指示的實(shí)質(zhì)，就是對(duì)瞬時(shí)頻率、脈沖信號(hào)的指示，是將信號(hào)處理后的頻率、脈沖線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換成直流電信號(hào)而指示相應(yīng)的流量參數(shù)。如果是模擬儀表，標(biāo)尺常以頻率(Hz)數(shù)值分度，指示的頻率值 f除以流量計(jì)儀表常數(shù)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。

圖5 頻率瞬時(shí)指示原理方框圖Fig.5 Block diagram of the principle of frequency instantaneous indication

經(jīng)過(guò)整形后的輸入頻率(脈沖)作用于計(jì)算電路的輸入端 T，使電路中交替出現(xiàn)截止或?qū)▋煞N狀態(tài)，放大器輸出端脈沖波形被整形，與 T的波形相反，當(dāng)放大電路出現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電源 E通過(guò)外圍電路(或集成內(nèi)部)在儲(chǔ)能電容 C中預(yù)存電荷；當(dāng)放大電路出現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，C預(yù)存的電荷通過(guò)外圍電路(或集成內(nèi)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(duì)應(yīng)的電流信號(hào)。電路里的電流指示儀表 4即刻顯示該計(jì)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)：

由公式(6)可知，當(dāng)電源電壓E和電容量C為常數(shù)時(shí)，電流 I與輸入脈沖的頻率 f成正比，當(dāng)更改外圍電路(或集成內(nèi)部)儲(chǔ)存電荷的電容 C(1～n)參數(shù)或連接方式以及改變電路數(shù)據(jù)時(shí)，就可以得到不同介質(zhì)的流量測(cè)量范圍。在有些流量計(jì)結(jié)構(gòu)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(shè)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(hào)送入后置電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)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(jì)工作原理，通常還要計(jì)量在一定時(shí)間范圍內(nèi)，流量計(jì)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(jì)算功能。下面我們根據(jù)流量計(jì)實(shí)際工況對(duì)一種累積值計(jì)算方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

圖 6為一種應(yīng)用除法方案進(jìn)行累積計(jì)算的組成原理圖。

圖6 累積計(jì)算電路組成框圖Fig.6 Block diagram of the constitution of an accumulative computing circuit

由圖 6可知，此積算器構(gòu)成中包括了整形、累積脈沖計(jì)數(shù)、系統(tǒng)設(shè)定、總量積算、軟件數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)定器。根據(jù)流量計(jì)系數(shù)ξ的值，可以在0～9,999(其他參數(shù)也可以)之間任意選擇設(shè)定系數(shù)。

由放大電路機(jī)構(gòu)輸出的脈沖信號(hào)，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(hào)，將此信號(hào)轉(zhuǎn)入換算電路機(jī)構(gòu)，它每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)便拖動(dòng)計(jì)數(shù)電路機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)一個(gè)數(shù)碼參數(shù)，同時(shí)軟件功能即可識(shí)別紀(jì)錄出一個(gè)數(shù)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(jì)。此時(shí)換算電路單元輸出的信號(hào)直接改變觸發(fā)穩(wěn)態(tài)電路，使各計(jì)數(shù)參數(shù)值恢復(fù)到起始的“零”狀態(tài)，重復(fù)此過(guò)程即完成了累積脈沖的積算，就是對(duì)累積流量介質(zhì)的積算。

例如：口徑為 80,mm 的流量計(jì)，流量系數(shù)ξ為16.25脈沖/升，通過(guò)軟件將系數(shù)設(shè)定分別置于 1、6、2、5，則每當(dāng)計(jì)數(shù)器收到1,625個(gè)脈沖信號(hào)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(hào)，使電路狀態(tài)發(fā)生變化，使計(jì)數(shù)電路結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)一個(gè)計(jì)量單位，從而實(shí)現(xiàn)了逢 K進(jìn)一的累計(jì)運(yùn)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(jì)輸送到顯示儀表的脈沖總數(shù)為 N，經(jīng)換算后，送到總量積算器的脈沖數(shù)為Nc，則流體介質(zhì)計(jì)量總量為：

式中：K為設(shè)定系數(shù)，(K＝10m·ξ)；m為整數(shù)。

本除法方案設(shè)定系數(shù)的方式較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性比較好，電路容易實(shí)現(xiàn)，可以直接將流量系數(shù)ξ 輸入軟件中，控制系數(shù)設(shè)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(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)流量計(jì)和儀表的工作原理進(jìn)行了分析，總結(jié)了其工作過(guò)程。重點(diǎn)對(duì)參數(shù)設(shè)定方法、電路組成及作用等進(jìn)行了說(shuō)明。文章對(duì)測(cè)量不同介質(zhì)狀態(tài)下選擇流量計(jì)以及使用方法和過(guò)程調(diào)試具有一定指導(dǎo)意義。

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