摘要：渦輪流量計是一種能夠測量多種介質(zhì)且穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高的計量儀表。特別適宜于計量粘度不高的輕質(zhì)油類和腐蝕性不大的酸堿性液體，同時它也具有較好的線性輸出參數(shù)，當(dāng)渦輪流量計與具有多功能、多參數(shù)的顯示儀表組合為計量儀表時，就能夠?qū)Ρ粶y物理量的累積流量、瞬時流量等進(jìn)行準(zhǔn)確計量。通過對渦輪流量計及顯示儀表工作原理的分析，可以掌握在實際使用中對多種參數(shù)的選擇、調(diào)節(jié)、設(shè)定,大大提高計量準(zhǔn)確性。

低溫渦輪流量計(以下簡稱流量計)是以流體動量矩原理為基礎(chǔ)的流量計量儀表。有些科技文獻(xiàn)又將其劃分為速度式儀表，因為在一定的流量范圍內(nèi)，流量計的轉(zhuǎn)動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：體積小；重量輕；準(zhǔn)確度高(有的流量計可以當(dāng)作計量標(biāo)準(zhǔn)儀表)；反應(yīng)時間快(有些可達(dá)到毫秒級)；量程比寬(一般為10∶1)；壓力損失小；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(以下簡稱儀表)組合使用時，可以同時對累積流量、瞬時流量或流體溫度、內(nèi)部壓力等參數(shù)進(jìn)行測量及分析、調(diào)節(jié)。

1、流量計的工作過程

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

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，由于流體的沖擊作用，使得渦輪圍繞軸心發(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時實驗表明，渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)與介質(zhì)流體的體積流量呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。再將渦輪的旋轉(zhuǎn)通過磁電轉(zhuǎn)換器變換成相對應(yīng)的電脈沖信號，以此脈沖信號經(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，在測量范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比，而信號的脈沖數(shù)則與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。所以，當(dāng)我們檢測出信號脈沖總數(shù)以后，除以儀表常數(shù)ξ(次/升)，便可計算得到該段時間內(nèi)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(nèi)儀表計算得的脈沖數(shù)為7200次，則10min內(nèi)管道中流過流體的總量為：

V=N/ξ=7200次/180次/L=40L

2、渦輪旋轉(zhuǎn)的基本原理

流量計主要組件包括：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。通過對流體流過管道及渦輪結(jié)構(gòu)的分析，我們可以得出，當(dāng)流體沿管道的軸線方向流動而沖擊渦輪葉片時，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，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。

如圖2所示，由于渦輪對流體是作相對運(yùn)動，如果渦輪旋轉(zhuǎn)的圓周速度V=w·r與軸線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，則推動渦輪旋轉(zhuǎn)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(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、流動狀態(tài)與流向等多個因素有關(guān)。

在渦輪旋轉(zhuǎn)時，除推動渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動力矩M外，還同時存在阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器引起的磁電反應(yīng)阻力矩M3。根據(jù)動量矩守恒原理，渦輪的運(yùn)動方程式可以用以下函數(shù)關(guān)系式表示：

Jdω/dt=M-M1-M2-M3   (3)

式中：J——渦輪的轉(zhuǎn)動慣量；dω/dt——渦輪的角加速度。

由(3)式可知，當(dāng)dω/dt為零時，渦輪以角速度ω作勻速轉(zhuǎn)動；當(dāng)流量發(fā)生變化時，dω/dt≠0，渦輪將作加速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，經(jīng)過一段時間后，隨著流量的穩(wěn)定，渦輪又會達(dá)到新的力矩平衡狀態(tài)，即dω/dt又等于零值。就是說，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)。

通過分析和計算可知，在dω/dt=0時，渦輪轉(zhuǎn)動角速度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(jié)構(gòu)參數(shù)、流體介質(zhì)、流動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)；ξ——流量計轉(zhuǎn)換系數(shù)，當(dāng)介質(zhì)流量大于某一數(shù)值時，在一段區(qū)間內(nèi)可以近似看作為一常數(shù)，有時也稱為儀表常數(shù)。

儀表常數(shù)ξ是流量計重要的特性參數(shù)，由于流量計是通過磁電轉(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通過流量計時，轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖數(shù)(脈沖數(shù)/升)，故也稱為流量系數(shù)。流量計作為產(chǎn)品出廠時，生產(chǎn)單位則是測取測量范圍內(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：

V=N/ξ   (5)

3、磁電轉(zhuǎn)換器的工作過程

磁電轉(zhuǎn)換器工作時如圖3所示。

當(dāng)流體通過渦輪葉片時，渦輪5將發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，葉輪片4將周期性切割磁鋼1而產(chǎn)生磁力線3，從而改變通過線圈2的磁通量，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動的電勢信號。不難理解，脈動電勢信號的頻率與渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度ω成正比，即與被測介質(zhì)的流量Q成正比。通過放大機(jī)構(gòu)(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(shù)據(jù)。

4、流量計顯示儀表工作原理

根據(jù)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(shù)，因此儀表就是將單位時間的輸出脈沖和輸出脈沖的總數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時流量和流體總量，并把以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后通過數(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：

4.1 瞬時流量指示

瞬時流量指示的實質(zhì)，就是對瞬時頻率、脈沖信號的指示，是將信號處理后的頻率、脈沖線性地轉(zhuǎn)換成直流電信號而指示相應(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除以流量計儀表常數(shù)ξ就能夠得到瞬時體積流量值Q。如圖5所示的頻率瞬時指示原理方框圖。

經(jīng)過整形后的輸入頻率(脈沖)作用于計算電路的輸入端T，使電路中交替出現(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，電源E通過外圍電路(或集成內(nèi)部)在儲能電容C中預(yù)存電荷；當(dāng)放大電路出現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)時，C預(yù)存的電荷通過外圍電路(或集成內(nèi)部)迅速釋放。就這樣輸入的頻率(脈沖)經(jīng)過電子電路改變?yōu)榕c之相對應(yīng)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(dāng)電源電壓E和電容量C為常數(shù)時，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，就可以得到不同介質(zhì)的流量測量范圍。在有些流量計結(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送入后置電路，實現(xiàn)自動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間范圍內(nèi)，流量計流過介質(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(jù)流量計實際工況對一種累積值計算方法的實現(xiàn)進(jìn)行分析。

圖6為一種應(yīng)用除法方案進(jìn)行累積計算的組成原理圖。

由圖6可知，此積算器構(gòu)成中包括了整形、累積脈沖計數(shù)、系統(tǒng)設(shè)定、總量積算、軟件數(shù)據(jù)的控制等。其4個輸出端分別與四層波段開關(guān)的各層相連，通過軟件控制，組成了系統(tǒng)設(shè)定器。根據(jù)流量計系數(shù)ξ的值，可以在0~9999(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，經(jīng)整形處理后，成為具有一定幅值和能滿足前沿要求的脈沖信號，將此信號轉(zhuǎn)入換算電路機(jī)構(gòu)，它每輸出一個脈沖信號便拖動計數(shù)電路機(jī)構(gòu)統(tǒng)計一個數(shù)碼參數(shù)，同時軟件功能即可識別紀(jì)錄出一個數(shù)字量，表明已經(jīng)有一個單位介質(zhì)體積的流量流過流量計。此時換算電路單元輸出的信號直接改變觸發(fā)穩(wěn)態(tài)電路，使各計數(shù)參數(shù)值恢復(fù)到起始的“零”狀態(tài)，重復(fù)此過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(shù)ξ為16.25脈沖/升，通過軟件將系數(shù)設(shè)定分別置于1、6、2、5，則每當(dāng)計數(shù)器收到1625個脈沖信號的瞬時，軟件操作發(fā)出指令并輸出一個固定頻率信號，使電路狀態(tài)發(fā)生變化，使計數(shù)電路結(jié)構(gòu)統(tǒng)計一個計量單位，從而實現(xiàn)了逢K進(jìn)一的累計運(yùn)算，顯示儀表就能夠顯示出流體介質(zhì)總量。

通過上例分析可知，如果流量計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)計量總量為：

V=N/ξ=N/ξ·10m/10m=N/K·10m   (7)

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)的方式較為簡單，穩(wěn)定性比較好，電路容易實現(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

本文對流量計和儀表的工作原理進(jìn)行了分析，總結(jié)了其工作過程。重點對參數(shù)設(shè)定方法、電路組成及作用等進(jìn)行了說明。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程調(diào)試具有一定指導(dǎo)意義。