渦輪流(liú)量計(以(yǐ)下簡稱(cheng)流量計(ji))是以流(liu)體動量(liang)矩原理(lǐ)爲基礎(chǔ)的流量(liang)計量儀(yi)表。有些(xie)科技文(wen)獻又将(jiāng)其劃分(fen)爲速度(du)👅式儀表(biǎo)，因爲在(zai)一定🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)流量範(fan)圍内，流(liú)量計的(de)轉動速(su)度與流(liú)體的☁️流(liú)速成比(bi)例關系(xi)。
　　渦輪流(liu)量計使(shi)用中的(de)主要特(tè)點：體積(ji)小；重量(liàng)輕；精💚度(du)❗高🙇‍♀️(有❄️的(de)📱流量計(ji)可以當(dang)作計量(liang)标準儀(yí)表)；反應(ying)時間快(kuai)(有些可(kě)達到毫(háo)秒級)；量(liàng)程比寬(kuān)(一般爲(wei)10∶1)；壓力損(sun)失小；适(shi)用工作(zuò)流體溫(wēn)度高；輸(shu)出爲脈(mo)沖信号(hao)，故不易(yì)受到幹(gàn)擾；可以(yi)長🥰距離(lí)傳輸，便(biàn)于各種(zhong)㊙️參數處(chù)理。當它(tā)與多功(gong)🌈能、多參(cān)數的顯(xiǎn)示儀表(biao)(以下簡(jian)稱儀表(biao))組合使(shǐ)用時，可(ke)以同時(shi)對累積(jī)流量、瞬(shùn)時流量(liàng)或流體(tǐ)溫度、内(nèi)部壓力(li)等參數(shu)進行測(cè)量及分(fèn)析、調節(jie)。
1 渦輪流(liú)量計的(de)工作過(guo)程
　　渦輪(lún)流量計(jì)通常由(you)渦輪(機(ji)械部分(fèn))、磁電轉(zhuǎn)換器、放(fàng)大👄機構(gou)(電子❓部(bù)分)等組(zǔ)成。

　　當流體(ti)流經安(ān)裝在管(guǎn)道裏的(de)渦輪，即(jí)流經渦(wō)輪葉片(pian)🔴與🆚管道(dào)之間的(de)間隙時(shi)，由于流(liú)體的沖(chòng)擊作用(yòng)，使得渦(wō)輪圍繞(rao)軸心發(fa)生旋轉(zhuǎn)。渦輪旋(xuan)轉的轉(zhuǎn)數與介(jiè)質流體(tǐ)的體積(ji)流量呈(cheng)現近似(si)的線性(xing)關系。再(zài)将渦輪(lún)的旋轉(zhuan)通過磁(ci)電轉換(huan)器變換(huàn)成相對(dui)應的電(diàn)脈沖信(xin)号，以此(cǐ)🤞脈沖信(xìn)号經電(dian)子放大(da)機構放(fang)大後，即(ji)可輸送(sòng)顯示儀(yí)表進行(háng)多參數(shù)🐕物理量(liàng)的指示(shì)。
　　由前可(ke)知，在測(ce)量範圍(wéi)内，渦輪(lún)的轉速(sù)與流量(liang)成正比(bǐ)，而信号(hao)的脈沖(chòng)數則與(yu)渦輪的(de)轉速成(chéng)正比。所(suo)以，檢測(ce)👈出信号(hào)脈沖總(zong)數以後(hou)，除以儀(yí)表常數(shu)ξ(次/升)，便(biàn)可計算(suan)得到該(gai)段時間(jian)内的介(jiè)質流體(ti)總量 V(升(sheng))，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一(yi)例：流量(liàng)計ξ爲 180 次(ci)/L，用儀器(qi)測出在(zài)10,min 内儀表(biǎo)計算得(dé)的‼️脈沖(chong)數爲 7,200 次(cì)，則 10,min内管(guan)道中流(liu)過流體(tǐ)的總量(liang)爲：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次(ci)/L＝40L
2 渦輪旋(xuan)轉的基(jī)本原理(lǐ)
　　渦輪流(liú)量計主(zhu)要組件(jiàn)包括：導(dao)流體組(zǔ)件、渦輪(lún)組件、殼(ke)體、磁電(dian)轉🔱換器(qi)和放大(da)機構等(děng)。通過對(dui)流體流(liú)過✍️管道(dào)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼及渦輪(lun)結構的(de)分析，我(wǒ)們可以(yǐ)得出，當(dang)流體沿(yán)管道的(de)軸線方(fang)向流動(dong)而沖擊(ji)渦輪葉(yè)片時，便(bian)有與流(liu)量 Q、密度(du)φ和流速(sù) V 的乘積(ji)成比例(lì)的力作(zuò)用于葉(yè)片🏒上，推(tuī)動渦輪(lun)✍️旋轉。

　　如圖 2 所(suǒ)示，由于(yú)渦輪對(duì)流體是(shi)作相對(duì)運動，如(rú)果渦輪(lun)旋轉的(de)圓周速(su)度 V＝w·r 與軸(zhóu)線平行(háng)的流速(sù)與葉片(pian)的夾角(jiao)爲θ，流😄通(tong)面積爲(wèi) A，則介質(zhì)流速 V＝Q/A，則(ze)推動渦(wō)輪旋轉(zhuǎn)的力矩(jǔ) M 可用下(xià)✔️式表示(shì)：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中：K1——與(yǔ)流量計(ji)結構尺(chǐ)寸、流體(tǐ)質量、狀(zhuàng)态有關(guān)的參數(shu)❗；r——平均半(bàn)🔱徑💯，常取(qǔ)葉片寬(kuān)度 1/2 到中(zhong)心的距(ju)離。
由(2)式(shi)可知，力(li)矩 M 除與(yu)流量 Q 有(you)關外，與(yǔ)流體介(jiè)質密度(du)ρ、流動狀(zhuang)🛀态與🤟流(liú)向等多(duo)個因素(sù)有關。
　　在(zài)渦輪旋(xuán)轉時，除(chú)推動渦(wō)輪旋轉(zhuǎn)的轉動(dong)力矩 M外(wai)，還同時(shi)存在阻(zu)礙渦輪(lún)旋轉的(de)阻力矩(jǔ)，其中包(bāo)括：介質(zhi)粘度對(dui)渦輪摩(mó)擦引起(qǐ)的阻力(li)矩 M1，軸承(chéng)摩擦引(yǐn)起的阻(zǔ)力矩 M2，磁(cí)電轉換(huan)器引🏃🏻起(qǐ)的磁電(dian)反應阻(zǔ)力矩M3。根(gēn)據動量(liàng)矩守恒(heng)原理，渦(wō)輪的運(yun)動🥰方程(cheng)式可以(yǐ)用以下(xia)♻️函數關(guān)系式🏒表(biao)示：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式中(zhōng)：J——渦輪的(de)轉動慣(guan)量；dω/dt——渦輪(lún)的角加(jiā)速度。
　　由(yóu)(3)式可知(zhī)，當 dω/dt 爲零(ling)時，渦輪(lun)以角速(sù)度ω作勻(yun)速轉動(dong)；當♊流量(liang)發生變(bian)化時，dω/dt≠0，渦(wo)輪将作(zuo)加速旋(xuán)轉運動(dong)，經過一(yi)段時間(jian)後，随着(zhe)流量的(de)穩定，渦(wo)輪又會(hui)達到新(xin)的力⛹🏻‍♀️矩(jǔ)平衡狀(zhuàng)态，即 dω/dt 又(yòu)等于零(líng)值。就是(shì)說，渦輪(lun)将以另(lìng)一✊新的(de)角速度(du)勻速旋(xuán)轉，以适(shi)應✨新的(de)流量，并(bìng)出現了(le)⁉️新的穩(wen)定狀态(tài)。
　　通過分(fèn)析和計(ji)算可知(zhi)，在 dω/dt＝0 時，渦(wo)輪轉動(dòng)角速度(dù)ω與體積(jī)🐇流量 Q 有(you)如下式(shi)的近似(si)關系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式(shì)中：a——與流(liú)量計結(jie)構參數(shù)、流體介(jie)質、流動(dòng)狀态有(yǒu)關的系(xì)數；ξ——流量(liàng)計轉換(huan)系數，當(dāng)介質流(liú)量大于(yu)某一數(shù)值時，在(zai)一段區(qū)間内可(kě)以近似(si)看作爲(wèi)一常數(shu)，有時也(ye)稱爲儀(yi)表常數(shù)。
　　儀表常(cháng)數ξ是流(liú)量計重(zhòng)要的特(tè)性參數(shù)，由于流(liú)量計是(shi)🐇通過磁(ci)電轉換(huan)器将角(jiǎo)速度ω 轉(zhuan)換成相(xiang)應的脈(mò)沖數，因(yīn)而我們(men)可以把(bǎ)ξ看成🙇🏻是(shì)單位體(ti)積流量(liàng) Q 通過流(liú)量計時(shí)，轉換器(qì)輸出的(de)脈沖數(shu)(脈沖數(shù)🔴/升)，故也(yě)稱爲流(liú)量系數(shu)。流量計(ji)作爲産(chǎn)品出廠(chǎng)時，生産(chan)單位則(ze)是測取(qǔ)測量範(fàn)圍内的(de)轉換系(xì)數平均(jun1)值作爲(wèi)儀表常(cháng)📞數，因而(ér)可以認(rèn)爲流體(ti)總量 V 與(yǔ)脈沖數(shu) N 的關系(xi)，如(5)式所(suǒ)示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電(diàn)轉換器(qì)的工作(zuò)過程
磁(cí)電轉換(huan)器工作(zuo)時如圖(tu) 3 所示。
　　當(dāng)流體通(tōng)過渦輪(lún)葉片時(shí)，渦輪 5 将(jiang)發生旋(xuan)轉運動(dòng)，葉輪片(pian) 4 将🤟周期(qi)性切割(ge)磁鋼 1 而(er)産生磁(cí)力線 3，從(cóng)而改變(biàn)通過線(xiàn)圈 2 的磁(cí)通量，根(gēn)據☎️電磁(cí)感應原(yuan)理，在線(xian)圈内将(jiang)感應出(chū)脈動的(de)電勢信(xin)号。不難(nán)理解，脈(mo)動電勢(shì)信📞号的(de)頻率與(yu)渦輪旋(xuan)🈲轉的角(jiǎo)速度ω成(chéng)正比，即(jí)與被測(cè)介質的(de)流量 Q 成(chéng)正比。通(tong)過放大(da)機構(電(diàn)子部分(fen))将上🔴述(shu)脈沖信(xìn)号放大(da)到 1V 左右(you)脈沖😘電(dian)壓，傳送(song)給顯示(shi)儀♋表，即(ji)可顯示(shi)出被測(ce)介質的(de)流量數(shù)據。

4 渦輪(lún)流量計(ji)顯示儀(yi)表工作(zuò)原理
　　根(gen)據我們(men)對流量(liàng)計工作(zuò)原理的(de)分析和(he)探讨，得(de)知流量(liàng)計輸出(chu)的信号(hao)是電脈(mò)沖數，因(yin)此儀表(biao)就是将(jiang)單位時(shi)間的輸(shu)👌出脈❓沖(chòng)和輸出(chu)脈沖的(de)總數轉(zhuǎn)換成瞬(shun)時流量(liang)和流體(ti)總量，并(bing)把以😍上(shàng)數據進(jin)行分析(xi)後通過(guo)數字量(liàng)顯示。因(yin)而儀表(biao)的組成(cheng)可以用(yòng)圖 4 所示(shi)的方框(kuàng)圖表示(shì)：

4.1 瞬時流(liu)量指示(shi)
　　瞬時流(liu)量指示(shi)的實質(zhì)，就是對(duì)瞬時頻(pin)率、脈沖(chòng)信号☎️的(de)指示，是(shì)将🐪信号(hao)處理後(hou)的頻率(lǜ)、脈沖線(xiàn)性地轉(zhuan)換成直(zhi)流電信(xin)号而指(zhi)示相應(yīng)的流量(liàng)參數。如(ru)果是模(mo)拟儀表(biǎo)，标尺常(chang)☀️以頻率(lǜ)🙇‍♀️(Hz)數值分(fen)度，指示(shì)♌的頻率(lü)值 f除🧑🏽‍🤝‍🧑🏻以(yi)流量計(jì)儀表常(cháng)數ξ就能(neng)夠得到(dao)瞬時體(tǐ)積流量(liàng)值Q。如圖(tu) 5 所示的(de)✂️頻率瞬(shùn)時指示(shì)原理方(fāng)框😍圖。

　　經過整(zhěng)形後的(de)輸入頻(pin)率(脈沖(chòng))作用于(yú)計算電(dian)路的輸(shū)入端 T，使(shi)🚩電路中(zhong)交替出(chu)現截止(zhǐ)或導通(tong)兩種狀(zhuang)态，放大(dà)器輸✂️出(chu)端脈沖(chòng)波形被(bei)整形，與(yǔ) T 的波形(xíng)相反，當(dang)放大電(diàn)路出現(xian)截止狀(zhuang)态時，電(dian)☀️源 E 通過(guò)外圍電(dian)路(或集(ji)成内部(bu))在儲能(neng)電容 C 中(zhōng)預存電(diàn)荷；當放(fàng)🥵大電路(lù)出現導(dao)通狀态(tài)時，C 預存(cún)的電🚶‍♀️荷(hé)通過外(wai)圍電路(lu)(或集成(cheng)内部)迅(xùn)速釋放(fàng)☂️。就這樣(yàng)輸入的(de)頻率(脈(mò)沖)經過(guò)電子電(diàn)路改變(bian)🐕爲與之(zhī)♋相對應(yīng)的電流(liu)信号。電(diàn)路裏的(de)電🌏流指(zhǐ)示儀表(biǎo) 4 即刻顯(xiǎn)♍示該計(ji)量電流(liu)值 I 的多(duō)少，I＝q/T，而 q＝C·E，f＝1/T(q 爲(wèi)一個脈(mò)沖周期(qi)電容所(suo)充電荷(hé)量；C 爲電(dian)容量；E 爲(wèi)電源電(diàn)壓值；f 爲(wèi)充放電(dian)🐕頻率)。合(he)并三式(shì)可得到(dào)公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由(yóu)公式(6)可(ke)知，當電(dian)源電壓(yā) E 和電容(róng)量 C 爲常(chang)數時，電(diàn)流 I 與輸(shū)🌈入脈⁉️沖(chong)🌈的頻率(lǜ) f 成正比(bi)，當更改(gǎi)外圍電(dian)路(或集(ji)成内部(bù))儲存電(diàn)荷的電(diàn)容 C(1～n)參數(shu)或連接(jiē)方式以(yi)及改變(bian)電路數(shù)據時，就(jiù)可以得(de)到不同(tong)介質❄️的(de)流量測(cè)量範圍(wéi)。在有👄些(xiē)流量計(jì)結構中(zhong)，爲了便(biàn)于檢查(cha)指示儀(yi)♈表是否(fǒu)工作正(zheng)常，在放(fang)大器輸(shū)入端設(shè)置有自(zi)檢電路(lù)裝置。它(ta)将振蕩(dang)器産生(sheng)的恒定(ding)頻率脈(mo)沖信号(hao)送入後(hou)置電路(lù)，實現🌈自(zì)動檢測(cè)工作正(zheng)常與否(fou)的目的(de)。
4.2 總量積(ji)算
　　前述(shù)我們介(jie)紹了流(liu)量計工(gōng)作原理(li)，通常還(hái)要計量(liàng)💜在💋一定(ding)時間範(fan)圍内，流(liu)量計流(liú)過介質(zhi)的體積(ji)或質量(liang)的🔞累積(ji)量，因此(cǐ)顯示儀(yi)表具有(you)累積計(jì)算功能(neng)。下面我(wǒ)們根據(jù)流量計(ji)實際工(gong)況對一(yī)種累積(ji)值計算(suan)方法的(de)實現進(jin)行分🙇🏻析(xī)。
圖 6 爲一(yi)種應用(yong)除法方(fāng)案進行(hang)累積計(jì)算的組(zǔ)成原理(li)圖。

　　由圖(tu) 6 可知，此(cǐ)積算器(qì)構成中(zhong)包括了(le)整形、累(lei)積脈沖(chong)計數🔴、系(xi)統設定(dìng)、總量積(ji)算、軟件(jiàn)數據的(de)控制等(děng)。其 4 個輸(shu)出端分(fèn)别與四(sì)層波段(duàn)開關的(de)各層相(xiàng)連，通過(guo)軟件控(kòng)制，組成(chéng)了系統(tong)設定器(qi)。根🈲據流(liú)量❗計系(xi)數ξ的值(zhi)，可以在(zai) 0～9,999(其他參(can)數也可(ke)以)之間(jiān)❤️任意選(xuǎn)擇設定(dìng)系數。
　　由(yóu)放大電(diàn)路機構(gou)輸出的(de)脈沖信(xìn)号，經整(zhěng)形處理(li)後🈲，成♊爲(wei)具有一(yī)定幅值(zhi)和能滿(mǎn)足前沿(yan)要求的(de)脈沖信(xin)号，将㊙️此(cǐ)信号轉(zhuǎn)入換算(suàn)電路機(ji)構，它每(měi)輸出一(yī)個脈沖(chòng)信号便(bian)拖動計(ji)數電路(lu)機構統(tong)計一個(ge)數碼參(cān)數，同時(shí)軟件功(gōng)能即可(kě)識别紀(ji)錄出一(yi)個數字(zi)量，表明(ming)已經有(yǒu)一個🌈單(dan)位介質(zhi)體積的(de)流量流(liú)過流量(liàng)計。此時(shí)換算電(diàn)路單元(yuán)輸出的(de)信号直(zhi)接改變(biàn)觸發穩(wen)态電路(lù)，使各計(ji)數參數(shu)值恢複(fu)到起始(shi)的“零”狀(zhuang)态，重複(fú)🧡此過程(chéng)即完成(cheng)了累㊙️積(jī)脈沖的(de)積算，就(jiu)💋是對累(lèi)積流量(liang)介質的(de)積算。
　　例(lì)如：口徑(jìng)爲 80,mm 的流(liu)量計，流(liu)量系數(shù)ξ爲16.25 脈沖(chong)/升，通過(guo)軟件将(jiang)系數設(shè)定分别(bie)置于 1、6、2、5，則(ze)每當計(jì)數器收(shou)到 1,625 個脈(mò)沖信号(hao)的瞬時(shí)🌈，軟件操(cao)作發出(chū)指令并(bing)輸出一(yī)個固定(dìng)頻率信(xìn)号，使🈲電(diàn)路狀🤩态(tai)發生變(biàn)化，使🈲計(jì)數電路(lù)結構統(tǒng)計一個(ge)計量單(dān)位，從而(ér)實現了(le)逢 K 進一(yī)的累計(jì)運算，顯(xian)示儀表(biao)就能夠(gòu)顯示出(chu)流體介(jie)🌈質總量(liang)。
　　通過上(shang)例分析(xi)可知，如(ru)果流量(liàng)計輸送(sòng)到顯示(shi)儀表的(de)脈沖總(zong)‼️數爲 N，經(jīng)換算後(hou)，送到總(zǒng)量積算(suan)器的脈(mò)沖數爲(wei) Nc，則流體(ti)介質計(ji)量總💃🏻量(liàng)爲：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式中(zhong)：K 爲設定(ding)系數，(K＝10m·ξ)；m 爲(wei)整數。
　　本(běn)除法方(fāng)案設定(dìng)系數的(de)方式較(jiao)爲簡單(dān)，穩定性(xìng)比㊙️較好(hǎo)，電路容(rong)易實現(xiàn)，可以直(zhí)接将流(liu)量系數(shù)ξ 輸入軟(ruan)件中🛀，控(kòng)制系數(shù)設定器(qi)，積算器(qi)就可以(yi)逢 K 進一(yi)，顯示儀(yí)表指☁️示(shi)出流♊體(tǐ)介質💃總(zǒng)量。
5 結束(shù)語
　　本文(wén)對渦輪(lún)流量計(jì)流量計(ji)和儀表(biao)的工作(zuo)原理進(jìn)行了分(fèn)💋析💃🏻，總結(jie)了其工(gong)作過程(cheng)。重點對(duì)參數設(shè)定方法(fǎ)、電♌路組(zǔ)成及作(zuo)用等進(jìn)行了說(shuō)明。文章(zhang)對測量(liang)不同介(jie)質狀态(tài)下選擇(zé)流量計(jì)以及使(shǐ)用方法(fǎ)和過程(cheng)🔆調試具(jù)有一定(ding)提示。

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