一、液體渦輪流量計(jì)概述

   液體渦輪流量計(jì)是葉輪式流量(流速)計(jì)的主要品種，葉輪式流量計(jì)還有風(fēng)速計(jì)、水表等。液體渦輪流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換顯示儀組成,傳感器采用多葉片的轉(zhuǎn)子感受流體的平均流速?gòu)亩茖?dǎo)出流量或總量。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)數(shù))可用機(jī)械、磁感應(yīng)、光電方式檢出并由讀出裝置進(jìn)行顯示和傳送記錄。據(jù)稱(chēng)美國(guó)早在1886年即發(fā)布過(guò)*個(gè)液體渦輪流量計(jì)，1914年的認(rèn)為液體渦輪流量計(jì)的流量與頻率有關(guān)。美國(guó)的*臺(tái)下液體渦輪流量計(jì)是在1938年開(kāi)發(fā)的，它用于飛機(jī)上燃油的流量測(cè)量.只是直至二戰(zhàn)后因噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和液體噴氣燃料急需一種高精度、快速響應(yīng)的流量計(jì)才使它獲得真正的工業(yè)應(yīng)用。如今它已在石油、化工、科研、國(guó)防、計(jì)量各部門(mén)中獲得廣泛應(yīng)用。

    流量計(jì)中下液體渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)是三類(lèi)重復(fù)性、精確度*的產(chǎn)品，而液體渦輪流量計(jì)又具有自己的特點(diǎn).如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大和可適應(yīng)高參數(shù)等.是其他兩類(lèi)流量計(jì)是難以達(dá)到的。

液體渦輪流量計(jì)是吸取了國(guó)內(nèi)外流量?jī)x表先進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、精度高、復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏安裝維護(hù)使用方便等特點(diǎn)的新一代渦輪流量計(jì)，廣泛用于測(cè)量封閉管道中與不銹鋼1Cr18Ni9Ti、2Cr13及剛玉A12O3、硬質(zhì)合金不起腐蝕作用且無(wú)纖維、顆粒等雜質(zhì)，工作溫度下運(yùn)動(dòng)粘度小于5×10-6m2/s的液體，對(duì)于運(yùn)動(dòng)粘度大于5×10-6m2/s的液體.可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定后使用。若與具有特殊功能的顯示儀表配套，還可以進(jìn)行定量控制、超量報(bào)警等，是流量計(jì)量和節(jié)能的理想儀表。

二、工作原理

     圖1所示為渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，由圖可見(jiàn)，當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測(cè)線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化。產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì)，即電脈沖信號(hào).經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。

渦輪流量計(jì)的流量方程可分為兩種:實(shí)用流量方程和理論流量方程。

實(shí)用流量方程

qv=f/k——公式1

qm=qvp——公式2

式中：qv—為體積流量，m3/s;          qm—為質(zhì)量流量，kg/s;

      f—為流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率，Hz；K—為流量計(jì)的儀表系數(shù)，P/m3

    流量計(jì)的系數(shù)與流量(或管道雷諾數(shù))的關(guān)系曲線如圖2所示.由圖可見(jiàn)，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段.特性受軸承摩擦力,流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下*，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過(guò)流量上*要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的下液體渦輪流量計(jì)特性曲線的形狀是相似的它僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。

    傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出.它*不問(wèn)傳感器內(nèi)部流體機(jī)理把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸入(流量)和輸出(頻率脈沖信號(hào))確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意此轉(zhuǎn)換系數(shù)(儀表系數(shù))是有條件的，其校驗(yàn)條件是參考條件。如果使用時(shí)偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類(lèi)型管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。

理論流量方程

  根據(jù)動(dòng)量矩定理可以列出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程

J(dw/dt)=M1-M2-M3-M4  公式3

式中：J—為葉輪的慣性矩；dw/dt—為葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度；M1—為流體的驅(qū)動(dòng)力拒；M2—為粘性阻力矩；M3—為軸承摩擦阻力矩；M4—為磁阻力矩。

當(dāng)葉輪以恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，J(dw/dt)=0，則M1=M2+M3+M4。論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得：

n=Aqv+B-C/qv  公式4

式中：n—為葉輪轉(zhuǎn)速；qv—為體積流量；A—與流體物性(密度、粘度等)，葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉片傾角、葉輪直徑、流道截面積等)有關(guān)的系數(shù)；C—與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結(jié)構(gòu)及流體工作條件。至今渦輪儀表特性的水動(dòng)力學(xué)特性仍舊不很清楚.它與流體物性及流動(dòng)特性有復(fù)雜的關(guān)系。比如當(dāng)流場(chǎng)有旋渦和非對(duì)稱(chēng)速度分布時(shí)水動(dòng)力學(xué)特性就非常復(fù)雜。不能用理論式推導(dǎo)儀表系數(shù)，儀表系數(shù)仍需由實(shí)流校驗(yàn)確定。但是理論流量方程有巨大的實(shí)用意義，它可用于指導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)使用條件變化時(shí)儀表系數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測(cè)和估算。

三、液體渦輪流量計(jì)參數(shù)以及優(yōu)缺點(diǎn)分析

液體渦輪流量計(jì)主要參數(shù)

a.儀表系數(shù)K:它表示單位體積流量通過(guò)渦輪流量傳感器時(shí)傳感器輸出的信號(hào)脈沖頻率。因此，根據(jù)脈沖頻率數(shù)，除以?xún)x表系數(shù)就得到流體的體積流量。一段時(shí)間內(nèi)的脈沖總數(shù)除以?xún)x表系數(shù)就得到流體在該時(shí)間段的累積流量。

b.公稱(chēng)通徑DN和公稱(chēng)壓力尸N.它們是渦輪流量計(jì)的系列數(shù)值。通常，公稱(chēng)通徑有DN6-DN76O，公稱(chēng)壓力PN范圍從真空到414MPa。

c.測(cè)量范圍。液體為0.036-130000/h;

d.zui大壓損。在zui大流量時(shí)流量計(jì)的*壓損.氣體zui大壓損0. 3kPa;液體zui大壓損7OkPa。

e.溫度范圍。工況允許的溫度范圍一般可在-270^-+650℃

f.線性度。與儀表系數(shù)有關(guān)，通常，液體可達(dá)0.25級(jí)(高精度可達(dá)0.15級(jí))，氣體達(dá)0.5級(jí)(高精度可達(dá)0.25級(jí))。

g.重復(fù)性。液體±0.1%讀數(shù);氣體±0.25%讀數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)
1.測(cè)量精度高，復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定可靠
2.范圍度寬，一般6：1，可達(dá)40:1
3.線性度好
4.壓損小(0.01~0.1MPa)，氣體更低，外形無(wú)需開(kāi)孔，可耐高壓
5.系統(tǒng)響應(yīng)快
6.抗擾性強(qiáng)，可遠(yuǎn)傳
7.安裝維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
8.耐腐蝕性好，傳感器可用耐腐材料
缺點(diǎn)
1.制造困難
2.因軸承磨損，需定時(shí)校準(zhǔn)特性
3.對(duì)高黏度流體，其線性變差
4.受流體特性(密度、黏度)影響大
5.上、下游直管段長(zhǎng)度要求高
6.對(duì)流體清潔度要求高
7.成本高
8.小口徑儀表的精度下降

四、基本參數(shù)不與技術(shù)性能

1、技術(shù)性能

儀表口徑及連接方式：4、6、10、15、20、25、32、40采用螺紋連接(15、20、25、32、40)50、65、80、100、125、150、200采用法蘭連接

準(zhǔn)確度等級(jí)：1、0.5

范圍度： 1:10；1:15；1:10

儀表材質(zhì)：304不銹鋼、316(L)不銹鋼等

被測(cè)介質(zhì)溫度(℃)：-20~+120℃

環(huán)境條件：溫度-10~+55℃，相對(duì)濕度5%~90%，大氣壓力86~106KPa

輸出信號(hào)：傳感器：脈沖頻率信號(hào)，低電平≤0.8V 高電平≥8V

          變送器：兩線制4~20mADC電流信號(hào)

供電電源：傳感器：+12VD、+24VDC(可選)

          變送器：+24VDC

          現(xiàn)場(chǎng)顯示型：儀表自帶3.2V鋰電池

信號(hào)傳輸線：STVPV3×0.3(三線制)，2×0.3(二線制)

傳輸距離：≤1000m

信號(hào)線接口：基本型：豪斯曼接頭，防爆型：內(nèi)螺紋M20×1.5

防爆等級(jí)：基本型：非防爆產(chǎn)品，防爆型：ExdllBT6

防護(hù)等級(jí)：IP65

1. 測(cè)量范圍及工作壓力

表2 測(cè)量范圍及工作壓力

七、安裝尺寸

  傳感器的安裝方式根據(jù)規(guī)格不同。采用螺紋或法蘭連接，安裝方式見(jiàn)圖6、圖7、圖8，安裝尺寸見(jiàn)表4。

八、流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)

*點(diǎn)、安裝場(chǎng)所

    傳感器應(yīng)安裝在便于維修管道無(wú)振動(dòng)、無(wú)強(qiáng)電磁干擾與熱輻射影響的場(chǎng)所。渦輪流zui計(jì)的典型安裝管路系統(tǒng)如圖9所示。圖中各部分的配置可視被測(cè)對(duì)象情況而定并不一定全部都需要。渦輪流量計(jì)對(duì)管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流是敏感的進(jìn)入傳感器應(yīng)為充分發(fā)展管流，因此要根據(jù)傳感器上游側(cè)阻流件類(lèi)型配備必要的直管段或流動(dòng)調(diào)整器，如表5所示。若上游側(cè)阻流件情況不明確一般推薦上游直管段長(zhǎng)度不小于20D，下游直管段長(zhǎng)度不小于5D。如安裝空間不能滿(mǎn)足上述要求可在阻流件與傳感器之間安裝流動(dòng)調(diào)整器。傳感器安裝在室外時(shí).應(yīng)有避直射陽(yáng)光和防雨淋的措施。

第二點(diǎn)、連接管道的安裝要求

    水平安裝的傳感器要求管道不應(yīng)有目測(cè)可覺(jué)察的傾斜(一般在5°以?xún)?nèi))，垂直安裝的傳感器管道垂直度偏差亦應(yīng)小于5°。

    需連續(xù)運(yùn)行不能停流的場(chǎng)所，應(yīng)裝旁通管和可靠的截止閥(見(jiàn)圖9)，測(cè)量時(shí)要確保旁通管無(wú)泄漏。

    在新鋪設(shè)管道裝傳感器的位置先介入一段短管代替?zhèn)鞲衅?，?“掃線”工作完畢確認(rèn)管道內(nèi)清掃干凈后再正式接入傳感器。由于忽視此項(xiàng)工作，掃線損壞傳感器屢見(jiàn)不鮮。

    若流體含雜質(zhì)，則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝過(guò)濾器對(duì)于不能停流的.應(yīng)并聯(lián)安裝兩套過(guò)濾器輪流清除雜質(zhì)。

或選用自動(dòng)清洗型過(guò)濾器。若被測(cè)液體含有氣體.則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝消氣器。過(guò)濾器和消氣器的排污口和消氣口要通向安全的場(chǎng)所。

    若傳感器安裝位置處于管線的低點(diǎn)，為防止流體中雜質(zhì)沉淀滯留應(yīng)在其后的管線裝排放閥，定期排放沉淀雜質(zhì)。

    被測(cè)流體若為易氣化的液體，為防止發(fā)生氣穴影響測(cè)量精確度和使用期限傳感器的出口端壓力應(yīng)高于公式5計(jì)算的zui低壓力Pmin

Pmin=2ΔP+1.25Pv Pa  公式5

式中：Pmin—為zui低壓力，Pa；

Pv—被測(cè)液體zui高使用溫度時(shí)飽和蒸汽壓，Pa。

    流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝在傳感器下游.上游側(cè)的截止閥測(cè)量時(shí)應(yīng)全開(kāi).且這些閥門(mén)都不得產(chǎn)生振動(dòng)和向外泄漏。

對(duì)于可能產(chǎn)生逆向流的流程應(yīng)加止回閥以防止流體反向流動(dòng)。

    傳感器應(yīng)與管道同心，密封墊圈不得凸入管路。液體傳感器不應(yīng)裝在水平管線的zui高點(diǎn).以免管線內(nèi)聚集的氣體(如停流時(shí)混入空氣)停留在傳感器處.不易排出而影像測(cè)量。

  傳感器前后管道應(yīng)支撐牢靠。不產(chǎn)生振動(dòng)。對(duì)易凝結(jié)流體要對(duì)傳感器及其前后管道采取保溫措施。