渦(wo)輪流(liu)量計(ji)(以(yi)下(xia)簡稱(cheng)流量計(ji))是以流(liu)體動(dong)量矩(ju)原理爲基(ji)礎的(de)流量(liang)計量(liang)儀(yi)表。有些(xie)科技文(wen)獻又将(jiang)其劃分爲(wei)速度(du)式儀(yi)表，因爲在(zai)一定的流量範(fan)圍内(nei)，流量(liang)計的(de)轉動(dong)速(su)度與流(liu)體的(de)流速成比(bi)例關(guan)系。
　　渦(wo)輪流(liu)量計使用(yong)中的(de)主要(yao)特點(dian)：體積(ji)小；重(zhong)量輕；精度(du)高(有的(de)流量計(ji)可以(yi)當(dang)作計量(liang)标準儀(yi)表(biao))；反應(ying)時間(jian)快(kuai)(有(you)些可(ke)達到(dao)毫秒(miao)級)；量(liang)程比寬(一般爲(wei)10∶1)；壓力(li)損失小；适(shi)用工(gong)作(zuo)流體溫(wen)度高；輸出(chu)爲脈(mo)沖信(xin)号(hao)，故(gu)不易(yi)受到(dao)幹(gan)擾(rao)；可以(yi)長距離傳輸，便(bian)于各種參數處理。當(dang)它與多功(gong)能、多參數(shu)的顯(xian)示儀(yi)表(以下簡(jian)稱儀表)組合使(shi)用時(shi)，可(ke)以同時(shi)對累(lei)積流量、瞬時流(liu)量或流體(ti)溫度(du)、内(nei)部壓力(li)等參(can)數進行測(ce)量及分析(xi)、調節(jie)。
1 渦輪(lun)流量計的(de)工作過程(cheng)
　　渦輪(lun)流量(liang)計通常由(you)渦輪(機(ji)械部分)、磁電(dian)轉(zhuan)換器、放(fang)大機(ji)構(電子部(bu)分)等組成(cheng)。

　　當流(liu)體流經安(an)裝在管道裏的(de)渦輪，即流(liu)經渦(wo)輪葉片與(yu)管道之間(jian)的(de)間(jian)隙時(shi)，由于流(liu)體(ti)的沖(chong)擊作(zuo)用(yong)，使(shi)得渦(wo)輪圍繞軸(zhou)心發(fa)生旋(xuan)轉。渦輪旋(xuan)轉的轉數(shu)與介質流(liu)體的(de)體積(ji)流量呈(cheng)現(xian)近似的線(xian)性關(guan)系。再(zai)将渦輪(lun)的旋轉通過(guo)磁電(dian)轉換(huan)器變(bian)換成(cheng)相對(dui)應的電脈沖信(xin)号，以此(ci)脈(mo)沖信(xin)号經(jing)電(dian)子放大(da)機構放大(da)後，即(ji)可輸(shu)送顯示儀(yi)表進行多(duo)參數(shu)物理量的(de)指示(shi)。
　　由前可知(zhi)，在測(ce)量範圍内，渦輪(lun)的轉速與(yu)流量成正(zheng)比，而信号(hao)的脈沖數則與渦輪(lun)的轉速成(cheng)正比。所以(yi)，檢測出信号(hao)脈沖總(zong)數以(yi)後，除以儀表常數ξ(次(ci)/升)，便(bian)可計算得(de)到該段時間内(nei)的介(jie)質流(liu)體總(zong)量 V(升)，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一例(li)：流量(liang)計ξ爲 180 次(ci)/L，用(yong)儀器(qi)測出在10,min 内(nei)儀表(biao)計算得的(de)脈沖(chong)數爲(wei) 7,200 次(ci)，則 10,min内管(guan)道中流(liu)過(guo)流體的總(zong)量(liang)爲(wei)：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次(ci)/L＝40L
2 渦輪旋轉(zhuan)的基(ji)本原(yuan)理
　　渦(wo)輪流(liu)量計主(zhu)要(yao)組件包括(kuo)：導流(liu)體組(zu)件、渦(wo)輪組(zu)件、殼體、磁(ci)電轉換器(qi)和放(fang)大(da)機(ji)構等(deng)。通過對流(liu)體流(liu)過管道及渦輪(lun)結構的分析，我(wo)們可(ke)以得出，當流體沿管(guan)道的(de)軸線方向(xiang)流動(dong)而沖擊(ji)渦輪葉(ye)片時，便有(you)與流量 Q、密度φ和(he)流速(su) V 的乘(cheng)積成(cheng)比例的力(li)作(zuo)用(yong)于葉(ye)片上(shang)，推(tui)動(dong)渦輪(lun)旋轉。

　　如圖 2 所示(shi)，由于(yu)渦輪對流(liu)體是(shi)作相(xiang)對(dui)運(yun)動，如(ru)果渦(wo)輪旋(xuan)轉的圓周速度 V＝w·r 與軸(zhou)線平(ping)行(hang)的(de)流速(su)與葉片的(de)夾角(jiao)爲θ，流通面積爲(wei) A，則介(jie)質(zhi)流速 V＝Q/A，則(ze)推動渦輪(lun)旋轉(zhuan)的力(li)矩 M 可用下(xia)式表(biao)示(shi)：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式(shi)中：K1——與流量計結(jie)構尺(chi)寸、流體(ti)質(zhi)量、狀(zhuang)态有(you)關的參數(shu)；r——平均半(ban)徑，常取葉片寬度 1/2 到中(zhong)心的距離(li)。
由(2)式可知，力矩 M 除與(yu)流量 Q 有關(guan)外，與流體(ti)介質密度(du)ρ、流動狀态(tai)與流向等(deng)多個(ge)因素(su)有關(guan)。
　　在渦輪旋轉時，除(chu)推(tui)動渦(wo)輪旋轉的轉動(dong)力矩(ju) M外，還(hai)同時(shi)存在(zai)阻礙(ai)渦輪(lun)旋轉(zhuan)的阻力矩(ju)，其中包括(kuo)：介質(zhi)粘度(du)對(dui)渦(wo)輪摩(mo)擦引起的阻力(li)矩 M1，軸(zhou)承摩(mo)擦引(yin)起的(de)阻力(li)矩 M2，磁電轉(zhuan)換器引起(qi)的磁電(dian)反(fan)應阻(zu)力矩M3。根據(ju)動量(liang)矩守(shou)恒原(yuan)理，渦(wo)輪的(de)運動(dong)方程(cheng)式可以用(yong)以下(xia)函數(shu)關系(xi)式表(biao)示：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式中：J——渦輪的(de)轉動(dong)慣量；dω/dt——渦輪(lun)的角加速度。
　　由(you)(3)式可(ke)知，當 dω/dt 爲零(ling)時，渦(wo)輪(lun)以(yi)角速(su)度ω作(zuo)勻速轉動(dong)；當流量(liang)發(fa)生變化時，dω/dt≠0，渦(wo)輪(lun)将作(zuo)加速旋(xuan)轉運動(dong)，經過(guo)一段時間(jian)後，随(sui)着流(liu)量的(de)穩定(ding)，渦輪又會(hui)達到新(xin)的(de)力矩(ju)平衡(heng)狀态，即 dω/dt 又(you)等于零值(zhi)。就是說，渦(wo)輪将(jiang)以另(ling)一新的(de)角(jiao)速度勻速(su)旋轉，以适(shi)應新的流(liu)量，并(bing)出現(xian)了(le)新(xin)的穩(wen)定狀态(tai)。
　　通過分(fen)析和(he)計算可知(zhi)，在 dω/dt＝0 時，渦(wo)輪(lun)轉動(dong)角速度(du)ω與體積(ji)流量 Q 有如(ru)下式(shi)的近(jin)似(si)關(guan)系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式(shi)中：a——與流量(liang)計結(jie)構參(can)數(shu)、流體介(jie)質、流(liu)動狀态有關的(de)系數(shu)；ξ——流量(liang)計轉換(huan)系數，當(dang)介質(zhi)流(liu)量(liang)大于(yu)某一數(shu)值(zhi)時，在(zai)一段區(qu)間内可(ke)以近似(si)看(kan)作爲(wei)一常(chang)數，有時也(ye)稱爲儀(yi)表常數(shu)。
　　儀表常(chang)數ξ是流(liu)量計重(zhong)要(yao)的特性參(can)數，由(you)于流(liu)量計是通(tong)過磁(ci)電轉(zhuan)換(huan)器将角(jiao)速度ω 轉換成相應的(de)脈沖(chong)數，因(yin)而我們(men)可以把(ba)ξ看成(cheng)是單位體(ti)積流量 Q 通(tong)過流(liu)量計(ji)時，轉換器(qi)輸出(chu)的脈(mo)沖數(脈沖(chong)數(shu)/升)，故也(ye)稱爲流(liu)量(liang)系數。流量(liang)計作(zuo)爲産(chan)品出廠時，生産單位(wei)則是(shi)測取(qu)測量(liang)範(fan)圍(wei)内的(de)轉換(huan)系數(shu)平均(jun)值作爲(wei)儀(yi)表常數，因(yin)而(er)可以認(ren)爲流體總(zong)量 V 與(yu)脈沖(chong)數 N 的(de)關系(xi)，如(5)式所(suo)示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電轉換(huan)器(qi)的(de)工作(zuo)過程
磁電轉換器工(gong)作時如圖(tu) 3 所示(shi)。
　　當流體通(tong)過渦(wo)輪(lun)葉片時(shi)，渦輪 5 将(jiang)發生旋轉運動，葉(ye)輪片(pian) 4 将周(zhou)期性切割磁鋼(gang) 1 而産生磁(ci)力線(xian) 3，從(cong)而改變通過(guo)線圈 2 的磁(ci)通量(liang)，根(gen)據(ju)電磁感應(ying)原理，在線(xian)圈内(nei)将感(gan)應出(chu)脈動的電勢信(xin)号。不難理(li)解，脈動電勢(shi)信(xin)号的(de)頻率與(yu)渦(wo)輪旋(xuan)轉的角速(su)度ω成(cheng)正比，即與(yu)被測(ce)介質(zhi)的流量 Q 成(cheng)正比。通(tong)過放大(da)機構(電子部分(fen))将上述(shu)脈(mo)沖信(xin)号放(fang)大(da)到 1V 左右(you)脈沖電壓，傳送給顯(xian)示(shi)儀表，即(ji)可顯示(shi)出(chu)被測介質(zhi)的(de)流(liu)量數(shu)據。

4 渦輪(lun)流量(liang)計(ji)顯(xian)示儀(yi)表工作(zuo)原(yuan)理
　　根(gen)據我(wo)們(men)對(dui)流量(liang)計工(gong)作(zuo)原(yuan)理的(de)分析(xi)和(he)探(tan)讨，得(de)知流量計輸出的信号是(shi)電脈(mo)沖數(shu)，因此儀表(biao)就是将單位時(shi)間的輸出(chu)脈沖和輸(shu)出脈沖的(de)總數(shu)轉(zhuan)換成瞬(shun)時流(liu)量和流體(ti)總量(liang)，并把(ba)以上(shang)數據進行分析(xi)後通(tong)過數字量(liang)顯示。因(yin)而儀表(biao)的組成可(ke)以用圖 4 所示(shi)的方框(kuang)圖表示：

4.1 瞬時(shi)流(liu)量(liang)指示
　　瞬時(shi)流量(liang)指示(shi)的實質，就(jiu)是對(dui)瞬時(shi)頻(pin)率、脈沖(chong)信号的(de)指示，是(shi)将信号處理後(hou)的頻(pin)率、脈(mo)沖線(xian)性地(di)轉換成直(zhi)流電信号(hao)而指(zhi)示相(xiang)應(ying)的(de)流量(liang)參數(shu)。如(ru)果(guo)是模(mo)拟儀(yi)表(biao)，标尺常(chang)以頻(pin)率(lü)(Hz)數(shu)值分(fen)度，指示(shi)的頻率(lü)值 f除(chu)以流(liu)量計(ji)儀表常(chang)數(shu)ξ就能(neng)夠得(de)到(dao)瞬(shun)時體積流量(liang)值(zhi)Q。如圖(tu) 5 所示(shi)的頻(pin)率瞬(shun)時指(zhi)示(shi)原理方(fang)框圖。

　　經過(guo)整形(xing)後的(de)輸入頻(pin)率(脈沖(chong))作用(yong)于計算電(dian)路的輸入(ru)端 T，使(shi)電路(lu)中交替出(chu)現截止或導通(tong)兩種狀(zhuang)态，放大(da)器輸(shu)出端(duan)脈沖(chong)波形(xing)被(bei)整(zheng)形，與(yu) T 的波形(xing)相(xiang)反，當(dang)放大電路(lu)出現(xian)截止狀态(tai)時，電(dian)源 E 通過(guo)外圍電(dian)路(或集成(cheng)内部(bu))在儲能電(dian)容 C 中(zhong)預存(cun)電(dian)荷(he)；當放大電(dian)路(lu)出現導(dao)通狀(zhuang)态(tai)時(shi)，C 預存的電(dian)荷通過外(wai)圍電路(lu)(或集成(cheng)内部(bu))迅速(su)釋放(fang)。就這樣輸(shu)入的(de)頻率(lü)(脈(mo)沖(chong))經過(guo)電子(zi)電(dian)路改變(bian)爲與之相對應(ying)的電流信号。電(dian)路裏(li)的電流指(zhi)示儀表 4 即(ji)刻顯示該計(ji)量(liang)電流(liu)值 I 的(de)多(duo)少(shao)，I＝q/T，而 q＝C·E，f＝1/T(q 爲(wei)一個(ge)脈(mo)沖周期(qi)電容(rong)所(suo)充電荷量；C 爲(wei)電容(rong)量；E 爲(wei)電源電壓(ya)值；f 爲(wei)充放電頻率)。合(he)并三式(shi)可得到(dao)公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由公式(6)可(ke)知，當(dang)電(dian)源(yuan)電壓(ya) E 和電(dian)容量(liang) C 爲常(chang)數時，電流(liu) I 與輸(shu)入脈沖(chong)的頻率(lü) f 成正(zheng)比，當更改(gai)外圍電路(lu)(或集(ji)成内部)儲(chu)存電荷的(de)電(dian)容(rong) C(1～n)參數(shu)或連接(jie)方(fang)式以及改變(bian)電路數(shu)據時，就可(ke)以得到不(bu)同(tong)介質的(de)流量測量(liang)範圍(wei)。在有些流量計(ji)結構中，爲(wei)了便于檢(jian)查(cha)指(zhi)示儀(yi)表是否(fou)工作正(zheng)常，在(zai)放(fang)大器輸(shu)入端設置(zhi)有自(zi)檢電路(lu)裝置。它(ta)将振蕩(dang)器(qi)産生(sheng)的恒(heng)定(ding)頻(pin)率脈(mo)沖信号送(song)入後(hou)置電(dian)路(lu)，實(shi)現自(zi)動檢測工(gong)作正(zheng)常與(yu)否(fou)的(de)目的(de)。
4.2 總量(liang)積算(suan)
　　前述我們(men)介紹了流(liu)量計(ji)工作原理(li)，通常還要計量(liang)在一定時(shi)間範圍内(nei)，流量(liang)計流(liu)過介質(zhi)的(de)體積(ji)或質(zhi)量的累積(ji)量，因此(ci)顯(xian)示儀(yi)表具(ju)有累積計(ji)算功能(neng)。下面我(wo)們根(gen)據(ju)流量計(ji)實際(ji)工況(kuang)對一(yi)種累(lei)積值計算(suan)方法的實現進(jin)行分(fen)析。
圖 6 爲一(yi)種應(ying)用除法方(fang)案進行(hang)累積計(ji)算的組成原理(li)圖。

　　由圖(tu) 6 可知，此積(ji)算器(qi)構成(cheng)中包(bao)括了(le)整形、累積脈沖計數、系統(tong)設定(ding)、總量積算、軟件(jian)數據(ju)的(de)控制等(deng)。其 4 個輸出(chu)端分(fen)别與(yu)四層波段(duan)開關的(de)各(ge)層相連，通(tong)過軟(ruan)件控(kong)制，組成(cheng)了(le)系統(tong)設定(ding)器。根據流(liu)量計系(xi)數(shu)ξ的值(zhi)，可以(yi)在 0～9,999(其他參(can)數也可以(yi))之間(jian)任意(yi)選擇設定(ding)系數(shu)。
　　由放(fang)大電(dian)路機構輸出的(de)脈沖信号(hao)，經整(zheng)形處(chu)理後，成爲(wei)具有一(yi)定(ding)幅值(zhi)和能(neng)滿足(zu)前沿(yan)要求的脈沖信(xin)号，将此信号轉(zhuan)入換算電(dian)路機構，它每(mei)輸出一(yi)個脈沖信(xin)号便拖動(dong)計(ji)數電路(lu)機構統(tong)計(ji)一個(ge)數碼(ma)參(can)數，同時(shi)軟件功(gong)能即可識别紀錄(lu)出一(yi)個數字量(liang)，表明(ming)已經(jing)有(you)一個單(dan)位介(jie)質體(ti)積的(de)流量(liang)流過流量(liang)計。此時換(huan)算電(dian)路單(dan)元輸出的(de)信号(hao)直(zhi)接(jie)改變(bian)觸發(fa)穩(wen)态(tai)電路(lu)，使各計數(shu)參數值恢(hui)複到起始(shi)的“零(ling)”狀(zhuang)态，重複此過(guo)程即(ji)完成(cheng)了累(lei)積脈沖的積算(suan)，就是對累(lei)積流量介質的(de)積算(suan)。
　　例(li)如(ru)：口徑(jing)爲 80,mm 的流量(liang)計，流(liu)量系數(shu)ξ爲16.25 脈沖(chong)/升，通(tong)過軟件将(jiang)系數(shu)設(she)定分别(bie)置于 1、6、2、5，則(ze)每(mei)當計(ji)數器(qi)收到 1,625 個脈(mo)沖信(xin)号的(de)瞬時(shi)，軟件(jian)操(cao)作發出(chu)指令并輸(shu)出一(yi)個固(gu)定頻率信(xin)号，使(shi)電(dian)路(lu)狀态(tai)發生(sheng)變(bian)化，使計(ji)數電路(lu)結(jie)構統(tong)計一個計量單(dan)位，從而(er)實(shi)現了(le)逢 K 進一的(de)累計(ji)運算(suan)，顯示(shi)儀表(biao)就能(neng)夠(gou)顯示出(chu)流體介質(zhi)總量(liang)。
　　通過(guo)上例分析(xi)可知(zhi)，如(ru)果流量(liang)計輸送(song)到顯示(shi)儀表的脈沖總數爲(wei) N，經(jing)換算後(hou)，送到總(zong)量(liang)積算器的(de)脈沖數爲(wei) Nc，則流體介質計量總量爲：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式中(zhong)：K 爲設定系(xi)數，(K＝10m·ξ)；m 爲整數。
　　本除法方(fang)案設定系數的(de)方式(shi)較(jiao)爲(wei)簡單(dan)，穩定(ding)性(xing)比(bi)較好(hao)，電路(lu)容(rong)易(yi)實現(xian)，可以直(zhi)接(jie)将流(liu)量系數(shu)ξ 輸(shu)入軟(ruan)件中(zhong)，控制(zhi)系數(shu)設定(ding)器(qi)，積算器(qi)就可以逢(feng) K 進一(yi)，顯示(shi)儀表(biao)指示(shi)出流(liu)體介(jie)質總(zong)量。
5 結(jie)束(shu)語
　　本文(wen)對渦輪(lun)流(liu)量計流量(liang)計(ji)和儀表(biao)的工(gong)作原理進(jin)行了分(fen)析(xi)，總結(jie)了其(qi)工作(zuo)過程。重點(dian)對參數設(she)定方法(fa)、電(dian)路組成及(ji)作(zuo)用等進(jin)行了說明(ming)。文章(zhang)對測(ce)量(liang)不同介(jie)質狀(zhuang)态下(xia)選擇流量(liang)計(ji)以及使(shi)用方法和(he)過程調試(shi)具有(you)一定(ding)提示(shi)。

以上内容來源(yuan)于網絡，如(ru)有侵(qin)權(quan)請聯系(xi)即删除!