渦輪流量計及顯示儀表工作原理的分析

李曉仲，寧書巖，郭 彤

(天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院 天津 300192)

渦輪流量計(以下簡稱流量計)是以流體動量矩原理為基礎的流量計量儀表。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，流量計的轉動速度與流體的流速成比例關系。

流量計使用中的主要特點：體積小；重量輕；準確度高(有的流量計可以當作計量標準儀表)；反應時間快(有些可達到毫秒級)；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、內部壓力等參數(shù)進行測量及分析、調節(jié)。

1 流量計的工作過程

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。

圖1 流量計構成圖Fig.1 Constitution of a flowmeter

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，由于流體的沖擊作用，使得渦輪圍繞軸心發(fā)生旋轉。同時實驗表明，渦輪旋轉的轉數(shù)與介質流體的體積流量呈現(xiàn)近似的線性關系。再將渦輪的旋轉通過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行多參數(shù)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(shù)則與渦輪的轉速成正比。所以，當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的介質流體總量 V(升)，即：

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

V＝N/ξ＝7,200次/180次/L＝40,L

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。通過對流體流過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。

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

如圖 2所示，由于渦輪對流體是作相對運動，如果渦輪旋轉的圓周速度 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，則介質流速 V＝Q/A，則推動渦輪旋轉的力矩M可用下式表示：

式中：K1——與流量計結構尺寸、流體質量、狀態(tài)有關的參數(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有關外，與流體介質密度ρ、流動狀態(tài)與流向等多個因素有關。

在渦輪旋轉時，除推動渦輪旋轉的轉動力矩 M外，還同時存在阻礙渦輪旋轉的阻力矩，其中包括：介質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(jù)動量矩守恒原理，渦輪的運動方程式可以用以下函數(shù)關系式表示：

式中：J——渦輪的轉動慣量；dω/dt——渦輪的角加速度。

由(3)式可知，當 dω/dt為零時，渦輪以角速度ω作勻速轉動；當流量發(fā)生變化時，dω/dt≠0，渦輪將作加速旋轉運動，經(jīng)過一段時間后，隨著流量的穩(wěn)定，渦輪又會達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，以適應新的流量，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，渦輪轉動角速度ω與體積流量Q有如下式的近似關系：

式中：a——與流量計結構參數(shù)、流體介質、流動狀態(tài)有關的系數(shù)；ξ——流量計轉換系數(shù)，當介質流量大于某一數(shù)值時，在一段區(qū)間內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換器將角速度ω 轉換成相應的脈沖數(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的轉換系數(shù)平均值作為儀表常數(shù)，因而可以認為流體總量V與脈沖數(shù)N的關系，如(5)式所示：

3 磁電轉換器的工作過程

磁電轉換器工作時如圖3所示。

當流體通過渦輪葉片時，渦輪 5將發(fā)生旋轉運動，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)電磁感應原理，在線圈內將感應出脈動的電勢信號。不難理解，脈動電勢信號的頻率與渦輪旋轉的角速度ω成正比，即與被測介質的流量 Q成正比。通過放大機構(電子部分)將上述脈沖信號放大到 1,V左右脈沖電壓，傳送給顯示儀表，即可顯示出被測介質的流量數(shù)據(jù)。

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

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)轉換成瞬時流量和流體總量，并把以上數(shù)據(jù)進行分析后通過數(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：

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

4.1 瞬時流量指示

瞬時流量指示的實質，就是對瞬時頻率、脈沖信號的指示，是將信號處理后的頻率、脈沖線性地轉換成直流電信號而指示相應的流量參數(shù)。如果是模擬儀表，標尺常以頻率(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。

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

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(xiàn)截止狀態(tài)時，電源 E通過外圍電路(或集成內部)在儲能電容 C中預存電荷；當放大電路出現(xiàn)導通狀態(tài)時，C預存的電荷通過外圍電路(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，當更改外圍電路(或集成內部)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，流量計流過介質的體積或質量的累積量，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)進行分析。

圖 6為一種應用除法方案進行累積計算的組成原理圖。

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

由圖 6可知，此積算器構成中包括了整形、累積脈沖計數(shù)、系統(tǒng)設定、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的各層相連，通過軟件控制，組成了系統(tǒng)設定器。根據(jù)流量計系數(shù)ξ的值，可以在0～9,999(其他參數(shù)也可以)之間任意選擇設定系數(shù)。

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，它每輸出一個脈沖信號便拖動計數(shù)電路機構統(tǒng)計一個數(shù)碼參數(shù)，同時軟件功能即可識別紀錄出一個數(shù)字量，表明已經(jīng)有一個單位介質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)值恢復到起始的“零”狀態(tài)，重復此過程即完成了累積脈沖的積算，就是對累積流量介質的積算。

例如：口徑為 80,mm 的流量計，流量系數(shù)ξ為16.25脈沖/升，通過軟件將系數(shù)設定分別置于 1、6、2、5，則每當計數(shù)器收到1,625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)電路結構統(tǒng)計一個計量單位，從而實現(xiàn)了逢 K進一的累計運算，顯示儀表就能夠顯示出流體介質總量。

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，則流體介質計量總量為：

式中：K為設定系數(shù)，(K＝10m·ξ)；m為整數(shù)。

本除法方案設定系數(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)設定器，積算器就可以逢 K進一，顯示儀表指示出流體介質總量。

5 結束語

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

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