摘要(yào)：介紹了一(yī)種國産寬(kuan)量程氣體(ti)渦輪流量(liang)計 的工作(zuò)原理及渦(wo)輪的設計(ji)思想，闡述(shu)了零阻力(li)信号檢測(cè)法和‼️儀表(biao)系數的非(fēi)線性修正(zhèng)法,并給出(chu)了室内檢(jian)定和工業(ye)現場的試(shì)驗數據。檢(jian)定結果表(biao)明，該流量(liàng)計與進口(kou)設備🌍的計(jì)量結果基(jī)本一緻。目(mu)前這種國(guo)産流量計(ji)已開始投(tóu)入實際應(ying)用。
一、流量(liàng)計概述
　　近(jìn)年來,随着(zhe)各行業對(dui)成本核算(suàn)、貿易往來(lai)、節約能源(yuan)、自☀️動控制(zhi)等工作的(de)重視,用戶(hu)對流量測(cè)量的需💔求(qiu)日💔益增多(duo),同⚽時對流(liú)量😍計的測(cè)量精度、量(liàng)程比、适用(yong)介，質等技(ji)術指标提(ti)出了越♈來(lái)越高👅的要(yào)求。由于👄城(cheng)市燃氣管(guan)網遍布于(yu)整個城市(shi),考慮到供(gòng)氣安全、管(guan)道的沿程(chéng)🔞壓力損失(shī)等問題，管(guan)道中💃🏻的介(jiè)質(液化😘天(tiān)然氣、煤制(zhi)☁️氣🔞)一般壓(ya)力較低🧑🏾‍🤝‍🧑🏼、流(liú)速不高,因(yīn)此其流量(liang)測.量有🧑🏾‍🤝‍🧑🏼固(gù)有的特殊(shu)性。另外,因(yīn)爲用氣高(gao)峰和低谷(gu)時的管道(dào)内流量差(cha)距非常大(dà),所以✏️需要(yao)一種量程(chéng)寬、測量下(xia)限低的流(liu)量測量儀(yí)表。目前,國(guo)内外寬🈲量(liang)程氣體流(liú)量計主要(yao)有以下幾(ji)種。
(1) 腰輪式(shi)(羅茨式)氣(qi)體流量計(jì) .這是一種(zhǒng)體積式測(ce)量儀表,具(jù)有測量下(xià)限低、量程(chéng)寬、精🛀🏻度高(gao)、與介質物(wù)性參數關(guān)系不緊密(mi)等優點。但(dan)對氣🌈體的(de)潔淨程度(dù)要求較高(gāo),使用中需(xu)要加裝過(guo)濾裝置,并(bing)需要☔經常(chang)清洗。
(2) 熱式(shì)氣體質量(liang)流量計 。該(gai)流量計是(shì)利用氣體(tǐ)傳熱性能(neng)與其質量(liang)流量的關(guan)系測量流(liú)量,可測量(liàng)很.低的流(liú)速,具有較(jiao)寬的測量(liàng)範💁圍,并具(ju)有一定的(de)抗💘雜質能(néng)力,是近年(nian)來發展✏️很(hen)快的一-種(zhǒng)流量計。但(dàn)由于其工(gōng)作原理的(de)局限性，易(yi)受氣體成(cheng)分變化的(de)影響，因此(ci)隻适用🙇‍♀️于(yú)成分比🧑🏾‍🤝‍🧑🏼較(jiào)穩定的氣(qi)📞體流量測(ce)量⚽。.
(3) 渦輪氣(qi)體流量計(jì) 。該流量計(jì)是利用葉(ye)輪在氣體(tǐ)推動下的(de)轉動來測(cè)量氣體的(de)流量,具有(you)一定的抗(kang)雜質能力(lì),并且不受(shòu)💘氣體成分(fen)變化的影(ying)響。該種流(liú)量計在國(guo)外使用較(jiào)多,而國産(chǎn)渦輪流量(liang)計🚶由于其(qi)流量.下🐇限(xian)較高,因此(cǐ)很少在城(cheng)👌市燃氣管(guǎn)網上使用(yong)。
　　國内生産(chǎn)的氣體渦(wo)輪流量計(ji)技術指标(biāo)爲， 滿管式(shi)渦輪流量(liàng)計 的流速(sù)測量範圍(wei)爲4~26m/s,精度爲(wei)±1.5%;插人式渦(wō)輪流量計(ji)的流速測(cè)量範圍爲(wèi)3~15m/s,精度爲±2.5%。
　　與(yǔ)國外同類(lei)産品相比(bi),國内産品(pin)在流速測(ce)量的下限(xiàn)這一指标(biāo)上具有較(jiào)大的差距(jù),而這一指(zhǐ)标在城市(shi)燃氣管網(wǎng)的流量測(cè)量🔞中極爲(wèi)重要。
　　爲提(ti)高渦輪流(liú)量計的量(liàng)程比和擴(kuo)展其測量(liàng)下限,研制(zhì)出了一種(zhǒng)寬量程、低(di)流速氣體(tǐ)的渦輪流(liu)量計。這種(zhong)渦輪流量(liang)㊙️計的精度(du)⚽在Qmin~0.2Qmax時爲±2%,在(zai)0.2Qmax~Qmax時爲±1.5%,流速(su)測量🎯範圍(wei)爲0.3~10m/s.這種流(liú)量計爲🍓插(cha)人式結構(gou),适用于.φ100~200口(kǒu)徑的🌏管道(dao),并具有維(wéi)護方便的(de)優點。
二、渦(wo)輪流量計(ji)工作原理(li)
　　渦輪流量(liang)計 的工作(zuò)原理示意(yì)圖如圖1所(suo)示。在管道(dào)中心安放(fang)一個🥰渦輪(lun),流😍體通過(guò)時沖擊渦(wo)輪葉片,對(dui)渦輪産生(shēng)驅動力矩(jǔ),使渦輪克(ke)服摩擦㊙️力(li)矩和流體(ti)阻力矩而(er)産生旋轉(zhuǎn),其旋轉角(jiao)速度🏒與流(liu)體流速正(zheng)💰相關。由檢(jian)測探頭檢(jian)測🈲出葉片(piàn)轉動頻率(lǜ),輸入流量(liang)顯示.積算(suan)儀得到瞬(shùn)時流💃🏻量和(hé)累計流量(liàng)。
 
　　爲适應(ying)城市燃氣(qi)管網的流(liu)量測量要(yào)求,應盡量(liang)拓寬💞流量(liàng)測量的下(xià)限,即盡量(liàng)降低渦輪(lun)流量計的(de)始♈動流量(liàng)qmin.建立了一(yī)種渦輪流(liú)量計的理(lǐ).論模型。在(zai)流體處于(yu)♍定常流狀(zhuàng)态時,渦輪(lún)在流體的(de)驅.動力矩(jǔ)T,作用下轉(zhuǎn)動，阻力矩(ju)包括軸與(yu)軸承之間(jiān)摩擦産生(shēng)的機械摩(mo)擦阻🏃🏻‍♂️力矩(jǔ)Trm.渦輪與🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流(liu)體之間産(chan)生的流體(tǐ)阻🈚力矩Trf,以(yǐ)及檢測探(tan)頭對渦輪(lun)産生的電(diàn)磁阻力矩(jǔ)Tre,并應有以(yǐ)下♊平衡關(guān)系:
 
　　由流體(ti)力學3可知(zhī),當流體的(de)流動處于(yú)湍流狀态(tai)時,流體産(chǎn)生的摩擦(ca)力正比于(yú)流速的平(ping)方;當流動(dong)處于層流(liu)狀态時,其(qí)摩擦力正(zhèng)比于流速(sù),所以摩擦(ca)力均正相(xiang)關于流速(sù)。當渦輪剛(gāng)啓動而處(chu)于始動流(liu)量附近時(shí),顯🐆然Trf趨近(jìn)于🏃‍♂️零。故在(zài)分析始動(dòng)流🈲量時可(ke)不.考慮流(liú)體摩擦産(chan)生的阻🐇力(lì)，而僅考慮(lǜ)機械摩擦(cā)和🏃🏻電磁阻(zǔ)力即可。
三(san)、渦輪的設(shè)計與研究(jiu)
　　渦輪流量(liang)計的流量(liang)計算可采(cǎi)用式(2):
 
式中(zhong)qv一瞬時流(liú)量,m³/s;
F一渦輪(lún)葉片産生(shēng)的信号頻(pín)率,Hz;
K一儀表(biao)系數,1/m³'。
　　在渦(wo)輪的設計(ji)方法中,首(shou)先要考慮(lǜ)的是盡量(liang)保.證儀表(biǎo)系🐕數的線(xiàn)性度,然後(hou)才能用式(shi)(2)進行流量(liàng)計算。爲了(le)滿足♈線性(xing)度的💜要求(qiú),葉片一般(bān)設計成按(an)圖1所示的(de)螺旋狀葉(yè)片。在渦👨‍❤️‍👨輪(lún)的研🍓究中(zhōng),對于流量(liàng)計的信息(xi)處理采用(yòng)了計算機(ji)技術🏃,可以(yǐ)對儀表系(xì)數的非線(xian)性進行實(shí)時修正。這(zhe)就給葉片(piàn)結構的設(shè)計提供了(le)更廣闊的(de)空間,即設(she)計時可以(yǐ)完全不考(kǎo)慮線性問(wen)題，而隻考(kao)慮能産生(shēng)🎯足夠大的(de)驅動力矩(ju)和盡🈲量小(xiǎo)的摩擦.力(li)矩即可。
　　在(zai)經過系列(liè)研究和實(shi)驗之後,渦(wō)輪最終采(cǎi)用了由🤞圖(tú)2所示的結(jié)構。葉片類(lèi)似于風扇(shan)葉片的形(xíng)狀,傾角45°,由(yóu)0.3mm厚的不鏽(xiù)鋼㊙️薄闆整(zheng)體沖壓而(er)成，葉片數(shu)量爲20片。這(zhe)種形狀的(de)葉片雖然(ran)🌍非線性較(jiao)大,但重量(liàng)相對較輕(qing),這對于降(jiang)低始動流(liu)量很有好(hao)處,而其⭐非(fēi)線性則🏃‍♀️可(ke)通過單片(pian)機進行曲(qu)線拟合的(de)方法予以(yǐ)修正。
 
　　由圖2可以(yi)看出,這種(zhǒng)渦輪沒有(you)采用前後(hou)兩個:軸承(cheng)的結構🏃🏻,而(ér)是采用了(le)單軸承式(shi)結構。軸承(cheng)采用了進(jìn)🈲口的微型(xíng)滾動軸承(cheng)。軸爲固定(dìng)不動,單軸(zhóu)承安裝在(zài)軸的中間(jiān)，由軸承套(tao)固定葉片(pian)。這種結構(gòu)不僅減少(shao)了軸承引(yin)人的機械(xiè)摩擦,而且(qie)還克服了(le)因前後軸(zhóu)🔴承不同心(xin)而産生的(de)阻力。另外(wai),這種結❤️構(gou)也有利于(yú)軸承的防(fáng)塵,密閉性(xing)更好。
四、檢(jian)測探頭的(de)研究
　　一般(ban)渦輪流量(liang)計采用内(nèi)部嵌有永(yǒng)久磁鋼的(de)線圈作爲(wèi)檢測🙇‍♀️探㊙️頭(tóu)。葉片轉動(dong)時切割磁(cí)力線産生(shēng)感生⭐電勢(shì),該電☀️勢耦(ou)合到線圈(quān)中，在線圈(quan)兩端可産(chǎn)生相🏃‍♀️應的(de)周🧑🏽‍🤝‍🧑🏻期性變(biàn)化的感💃應(ying)電勢🌈。當渦(wō)輪轉速很(hen)低時,可以(yǐ)觀察到它(tā)的轉動不(bu)穩定。當葉(ye)片運動到(dào)磁鋼附近(jìn)時,會出現(xian)一個減速(sù)甚至停頓(dun)的過程,這(zhè)是由永久(jiǔ)磁鋼對葉(ye)片的吸引(yin)力即🏃‍♂️電磁(cí)阻力造成(chéng)的,因而在(zài)研究渦輪(lún)的轉速特(te)性時,電磁(ci)阻力是一(yī)個必須❗予(yǔ)以重視的(de)問題。
　　檢測(ce)探頭内部(bu)嵌有一個(gè)軟磁性材(cai)料的線圈(quān),其工作✂️原(yuan)理是以電(diàn)渦流爲基(jī)礎(5]。在線圈(quan)中通以高(gao)頻激勵信(xin)号,周圍産(chǎn)💃生一個高(gāo)頻交變磁(cí)場中。當葉(ye)片處♌于這(zhè)-.磁場中時(shí),葉片中就(jiu)會産生電(dian)渦流。之後(hou),該電渦流(liu)會産💋生一(yī)個阻☂️礙高(gao)頻交🔴變磁(cí)場中變化(huà)的磁場,,進(jìn)而作用在(zài)線圈上,對(duì)高頻激勵(lì)信号的幅(fu)度與㊙️頻率(lǜ)予以調制(zhi)。經信号處(chu)理電路,可(ke)反映葉片(piàn)的頻率.變(bian)化。
　　該檢測(cè)過程可等(deng)效爲,将線(xian)圈和葉片(pian)看作爲--個(gè)電感L的原(yuan)邊🏃‍♀️和次邊(bian),L由線圈的(de)自感L小、葉(ye)片的自感(gan)Lr以♋及它們(men)的互感M構(gòu)成0)。當葉片(pian)離開線圈(quan)時,L中僅存(cun)在L;當葉片(pian)處于線圈(quān)位置時，由(you)于互感M的(de)作用,感抗(kang)L是變化的(de),而L作爲LC振(zhèn)蕩🌈電路中(zhong)的電感元(yuán)件,它的變(biàn)化将改變(bian)振蕩🚶‍♀️電路(lù)信号的幅(fú)度與頻率(lü)。
　　采用這一(yi)電磁激勵(lì)結構,由于(yú)不産生電(dian)磁引力，因(yin)此不存在(zài)電磁阻力(li),即
Tre=0
五、非線(xiàn)性修正的(de)研究
　　如前(qián)所述,爲了(le)降低渦輪(lún)的始動流(liu)量qvmin,并降低(dī)儀表系💔數(shù)K較大的非(fei)線性，如何(hé)對非線性(xìng)進行修正(zhèng)就是一個(ge)需要解決(jue)的重要問(wen)題。
　　根據國(guó)家計量檢(jiǎn)定規程對(dui)速度式流(liú)量計檢定(ding)點的規定(ding)”，檢定💜點包(bao)括7個點，即(jí)qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢定點(diǎn)的數量是(shì)有限的7個(ge),而流量計(jì)在使用中(zhong),流量測量(liàng)在qmin~qmax範圍内(nèi)爲🔴任意的(de)。這樣,流量(liang)計的檢定(ding)點♊和非檢(jiǎn)定點就會(huì)遠遠超過(guò)7個。圖3給出(chū)了🍉儀表.系(xì)數K與信号(hào)頻📞率F(或流(liu)量q)的典型(xíng)非線性趨(qu)勢。
 
　　顯然(rán)不能再沿(yan)用平均儀(yí)表系數計(jì)算流量的(de)方法,而應(ying)該用式⚽(3)來(lái)計算在對(dui)應頻率信(xìn)号F時的儀(yi)表系數K,再(zai)㊙️用式♊(2)計算(suan)☂️流量。
K=f(F)(3)
　　該拟(nǐ)合公式的(de)具體形式(shì)可用兩種(zhong)方法求取(qǔ),即折線法(fǎ)和最☀️小二(èr)乘方法。
　　折(she)線法是指(zhǐ)将每兩個(ge)相鄰檢定(ding)點用直線(xian)相連接。顯(xian)然,在👣檢🐅定(dìng)👈點上,其拟(nǐ)合誤差爲(wei)零,然而在(zài)非檢定點(diǎn).上🤞具有較(jiao)大誤差。表(biǎo)1給出了一(yi)組典型的(de)折線法👣非(fei)線性✊修正(zhèng)拟合數據(jù)。
　　拟合誤差(cha)的計算公(gōng)式8]爲:
 
　　從表(biǎo)1可見,在非(fēi)檢定點處(chù)的最大拟(nǐ)合誤差達(da)到±1.65%。
　　最小二(er)乘方法得(de)到的是一(yī)條連續曲(qu)線,其原則(ze)是使各㊙️檢(jian)🐪定📞點到該(gāi)曲線的誤(wu)差平方和(hé)爲最小。由(yóu)于檢定點(dian)上🙇🏻得到的(de)數據并非(fei)标準值,其(qi)本身也具(ju)有一定的(de)誤差,而且(qiě)實際使用(yong)的渦輪流(liu)量計K-F特性(xìng)曲線應該(gai)是連續的(de)、平🔞滑的,因(yin)此盡管在(zài)檢定點處(chù)的拟合誤(wù)差不一定(dìng)等于零,但(dàn)用最小二(er)乘方法得(dé)到的連續(xù)曲線應該(gāi)能更好地(dì)反🔆映K-F關系(xi)的本質💃🏻9]。表(biǎo)2給出了用(yòng)最小二乘(chéng)💋方法得出(chū)的一組非(fei)線性修正(zhèng)拟合🏃誤差(cha)數據。
 
　　由表(biǎo)2可見,最大(da)拟合誤差(chà)僅爲±0.15%,遠優(yōu)于折線法(fǎ)的拟合誤(wù)差結果🔞。
六(liù).渦輪流量(liàng)計的應用(yong)
　　儀表樣機(ji)于1998年在天(tian)然氣和煤(méi)制氣調壓(yā)站進行了(le)試🚩驗🏃🏻‍♂️運行(hang)。在㊙️試驗管(guǎn)道上,均串(chuàn)聯美國德(dé)菜塞儀器(qì)公司的羅(luo)茨表氣體(ti)流量計(其(qi)精度爲±1%)作(zuò)爲标準表(biao)進行了比(bǐ)對。表🌈3.表4分(fen)别⛷️給出了(le)天然氣和(hé)煤制氣流(liu)量計試驗(yàn)數據.
 
　　從試(shi)驗結果可(kě)以看出,寬(kuān)量程氣體(tǐ)渦輪流量(liàng)計的計☔量(liàng)結🐆果與價(jia)格昂貴的(de)進口羅茨(cí)式儀表的(de)計量結果(guo)基本❌一緻(zhi)💘,該流量計(ji)可以用于(yu)城市燃氣(qì)管網的流(liú)量計量。

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