渦(wo)輪流量計(以(yi)下簡稱流量(liang)計)是以流體(tǐ)動量矩原理(lǐ)爲基礎的流(liu)量計量😍儀表(biǎo)。有些科技文(wén)獻又将其劃(hua)分爲速度式(shi)儀♌表，因爲在(zai)一定的流量(liàng)範圍内，流量(liang)計的轉動速(su)度與♌流體的(de)流速成比例(li)關✍️系。
　　渦輪流(liú)量計使用中(zhong)的主要特點(dian)：體積小；重量(liàng)輕；精度👅高🎯(有(you)✂️的流量計可(ke)以當作計量(liang)标準儀表)；反(fǎn)應時間快(有(you)些可達到毫(hao)🚶‍♀️秒級)；量程比(bǐ)寬(一般爲10∶1)；壓(ya)力損👉失小；适(shi)用工作流體(ti)溫度高；輸出(chū)爲脈㊙️沖信号(hào)，故不🏃‍♀️易受到(dào)幹🎯擾；可以長(zhǎng)距離傳輸，便(bian)于各種參數(shù)處理。當它與(yǔ)多功能、多參(can)數的顯示儀(yí)表(以下簡稱(cheng)儀表)組合使(shǐ)用時，可以同(tong)時對累積流(liu)量、瞬時流量(liàng)或流體溫度(dù)、内部壓力等(děng)參數進行測(cè)量及分析、調(diao)節。
1 渦輪流量(liang)計的工作過(guò)程
　　渦輪流量(liang)計通常由渦(wō)輪(機械部分(fen))、磁電轉換器(qì)、放❄️大機構(電(diàn)子部分)等組(zu)成。

　　當(dāng)流體流經安(an)裝在管道裏(lǐ)的渦輪，即流(liú)經渦輪葉❗片(piàn)與管道之間(jian)的間隙時，由(yóu)于流體的沖(chong)擊作用，使得(dé)渦輪圍繞軸(zhou)心發生旋轉(zhuan)。渦輪旋轉的(de)轉數與介質(zhì)流體的體積(ji)流量呈現近(jìn)似的線性關(guān)系。再将渦🔴輪(lun)的旋轉通過(guò)磁電轉換器(qì)變🌏換成相對(duì)應的電脈沖(chong)信号，以此脈(mò)沖信号經電(dian)子放大機構(gou)放大後，即🔞可(ke)輸送顯示儀(yí)表進行多參(cān)數物理量的(de)指示。
　　由前可(kě)知，在測量範(fàn)圍内，渦輪的(de)轉速與流量(liang)成正比，而㊙️信(xìn)号的脈沖數(shù)則與渦輪的(de)轉速成正比(bǐ)。所以，檢測出(chu)信📐号脈沖總(zǒng)數以後，除以(yi)儀表常數ξ(次(ci)/升)，便可計算(suàn)得到該段時(shi)間内的介質(zhì)流體♍總量 V(升(shēng))，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一例：流(liu)量計ξ爲 180 次/L，用(yong)儀器測出在(zài)10,min 内儀表計算(suàn)得的🐆脈沖數(shu)爲 7,200 次，則 10,min内管(guǎn)道中流過流(liú)體的總量爲(wèi)：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
2 渦輪旋(xuan)轉的基本原(yuan)理
　　渦輪流量(liang)計主要組件(jian)包括：導流體(tǐ)組件、渦輪組(zǔ)件⛱️、殼體、磁電(diàn)💃🏻轉換器和放(fang)大機構等。通(tong)過對流體流(liu)過⛷️管道及渦(wo)輪結構的分(fèn)析，我們可以(yi)得出，當流體(tǐ)沿管道的軸(zhou)線方向流動(dòng)㊙️而沖擊渦輪(lun)葉片時，便有(yǒu)與流量 Q、密度(dù)φ和流速 V 的乘(cheng)積成比🌈例的(de)力作用于葉(yè)片✏️上，推動渦(wō)輪😄旋轉。

　　如圖(tú) 2 所示，由于渦(wo)輪對流體是(shì)作相對運動(dòng)，如果渦⚽輪旋(xuán)轉的🧡圓周速(su)度 V＝w·r 與軸線平(píng)行的流速與(yǔ)葉片的🈲夾角(jiao)爲θ，流通面積(ji)爲 A，則介質流(liu)速 V＝Q/A，則推動渦(wo)輪旋轉的力(lì)矩☀️ M 可用下式(shì)表示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中：K1——與(yu)流量計結構(gou)尺寸、流體質(zhi)量、狀态有關(guān)的參數；r——平均(jun1)半徑，常取葉(ye)片寬度 1/2 到中(zhōng)心的距離。
由(yóu)(2)式可知，力矩(ju) M 除與流量 Q 有(yǒu)關外，與流體(ti)介質密度ρ、流(liu)動狀态與流(liú)向等多個因(yin)素有關。
　　在渦(wō)輪旋轉時，除(chú)推動渦輪旋(xuán)轉的轉動力(li)矩 M外，還🌈同🌂時(shi)存🐪在阻礙渦(wo)輪旋轉的阻(zu)力矩，其中包(bao)括：介質粘度(du)對渦輪摩👣擦(ca)引起的阻力(li)矩 M1，軸承摩擦(cā)引起的阻力(li)矩 M2，磁電轉換(huan)器引起的磁(cí)電反應阻力(lì)矩M3。根據動量(liàng)矩守恒原理(li)，渦輪的運動(dòng)方程式可以(yi)用以下函數(shù)關系式表示(shi)：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式中：J——渦輪的(de)轉動慣量；dω/dt——渦(wō)輪的角加速(su)度。
　　由(3)式可知(zhī)，當 dω/dt 爲零時，渦(wō)輪以角速度(dù)ω作勻速轉動(dong)；當流量發生(sheng)變化時，dω/dt≠0，渦輪(lun)将作加速旋(xuán)轉運動，經過(guò)一🚶‍♀️段時間後(hòu)✨，随着流量的(de)穩定，渦輪又(you)會達到新的(de)力矩平衡狀(zhuang)态，即 dω/dt 又等于(yu)零值。就是說(shuō)，渦輪将以另(ling)一新的角速(sù)🈲度勻速旋轉(zhuan)，以适應新的(de)流量，并出現(xiàn)了新的穩定(dìng)狀态。
　　通過分(fèn)析和計算可(kě)知，在 dω/dt＝0 時，渦輪(lún)轉動角速度(du)ω與體積流量(liang)🤞 Q 有如下式的(de)近似關系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式(shì)中：a——與流量計(jì)結構參數、流(liu)體介質、流動(dong)狀态有關的(de)系數；ξ——流量計(ji)轉換系數，當(dāng)介質流量大(da)于某一數值(zhí)時🚶‍♀️，在一段區(qu)間内可以近(jin)似看作爲一(yī)常數，有時也(ye)稱爲儀表常(cháng)數。
　　儀表常數(shù)ξ是流量計重(zhòng)要的特性參(cān)數，由于流量(liàng)計🔅是通過磁(ci)電轉換器将(jiāng)角速度ω 轉換(huàn)成相應的脈(mo)沖數，因而我(wo)⭕們可以把ξ看(kàn)成是單位體(tǐ)積流量 Q 通過(guo)流量計時，轉(zhuan)換器輸出的(de)脈沖數(脈沖(chòng)數/升)，故也稱(chēng)爲流量系數(shu)。流量計作爲(wei)産品出廠時(shí)，生産單位則(ze)是測取測量(liang)範圍内的轉(zhuan)換系數平均(jun)值作爲儀表(biao)常數，因而可(kě)以🌏認⛹🏻‍♀️爲流體(ti)總量 V 與脈沖(chòng)數 N 的關系，如(ru)(5)式所示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電(dian)轉換器的工(gong)作過程
磁電(dian)轉換器工作(zuo)時如圖 3 所示(shi)。
　　當流體通過(guo)渦輪葉片時(shí)，渦輪 5 将發生(sheng)旋轉運動，葉(ye)輪片✨ 4 将周期(qi)性切割磁鋼(gāng) 1 而産生磁力(li)線 3，從而改變(bian)通過線圈 2 的(de)磁通量，根據(jù)電磁感應原(yuán)理，在線圈内(nei)将感應💃出脈(mo)動🌏的電勢信(xin)号。不難理解(jie)，脈動電勢信(xin)号的頻率與(yǔ)渦輪旋📞轉的(de)角速度ω成正(zheng)比，即與被測(ce)🙇🏻介質的流量(liàng) Q 成正比。通過(guò)🥰放大機構(電(diàn)子部分)将上(shàng)述脈沖信号(hao)🐉放大到 1V 左右(you)脈沖電壓，傳(chuán)送給顯示儀(yí)🐇表，即可顯示(shì)出被測介質(zhì)的流量數♻️據(jù)。

4 渦輪流量計(ji)顯示儀表工(gōng)作原理
　　根據(ju)我們對流量(liàng)計工作原理(li)的分析和探(tan)讨，得知流量(liàng)計輸出的信(xin)号是電脈沖(chòng)數，因此儀表(biǎo)就是将單位(wei)時間的輸出(chū)脈沖和輸出(chū)脈沖的總數(shu)轉換成瞬時(shí)流量和流體(ti)總量，并把以(yi)上數據🌈進行(hang)分析後通過(guò)數字量顯示(shi)。因👌而儀表的(de)組成可以用(yòng)圖 4 所示⛷️的方(fāng)框圖表🚶‍♀️示：

4.1 瞬時(shí)流量指示
　　瞬(shun)時流量指示(shì)的實質，就是(shì)對瞬時頻率(lǜ)、脈沖信号的(de)指示，是将💚信(xin)号處理後的(de)頻率、脈沖線(xian)性地轉換成(cheng)直流電信号(hao)⭐而指示相應(ying)的流量參數(shù)。如果是模拟(nǐ)儀表，标尺常(chang)以頻率(Hz)數值(zhi)分🏒度，指示📐的(de)頻率值 f除以(yi)流量計儀表(biǎo)常數ξ就能夠(gou)得到瞬時體(tǐ)積流量值Q。如(ru)圖 5 所示的頻(pín)率瞬時指示(shi)原理方框🐆圖(tú)。

　　經過整形(xing)後的輸入頻(pin)率(脈沖)作用(yòng)于計算電路(lu)的輸入端 T，使(shǐ)電路中交替(tì)出現截止或(huò)導通兩種狀(zhuang)态🔴，放大💰器輸(shu)出端脈沖波(bo)形🙇‍♀️被整形，與(yu) T 的波形相反(fǎn)，當放大電路(lù)出現截止狀(zhuàng)态時，電源 E 通(tong)過外圍電路(lu)(或😄集成内部(bu))在儲能電容(rong) C 中預存電荷(hé)；當放大電路(lù)出現導通狀(zhuàng)态🌏時，C 預存的(de)電荷通過外(wai)圍電路(或集(jí)成内部)迅速(sù)釋放。就這樣(yang)輸入的頻率(lü)(脈沖)經過電(diàn)子⁉️電路改變(bian)爲與之🥰相對(duì)應的電流信(xìn)号。電路裏的(de)電🌂流指示儀(yí)表 4 即刻顯🚶示(shi)該計量電流(liú)值 I 的多少，I＝q/T，而(er) q＝C·E，f＝1/T(q 爲一個脈沖(chong)周期電容所(suǒ)㊙️充電荷量；C 爲(wèi)電容量；E 爲🈲電(diàn)源🏃‍♂️電壓值；f 爲(wèi)充放電頻率(lǜ))。合并三式可(ke)得到公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由(yóu)公式(6)可知，當(dāng)電源電壓 E 和(he)電容量 C 爲常(chang)數時，電流 I 與(yu)輸入脈沖的(de)頻率 f 成正比(bi)，當更改外圍(wéi)電路(或集成(chéng)内部)儲存電(diàn)荷的電容 C(1～n)參(cān)數或連接方(fang)式以及改變(bian)電路數據時(shí)，就可以得到(dao)不同介質的(de)流量測量範(fàn)圍。在有些流(liu)量計結構中(zhōng)，爲㊙️了便于檢(jiǎn)🛀查指示儀🈲表(biao)是否工作正(zheng)常，在放大器(qì)輸入端設🤟置(zhi)有自檢電路(lu)裝置。它将🐪振(zhèn)蕩器産生的(de)恒定頻率脈(mo)沖信号送入(rù)後置電路，實(shi)現自動檢測(cè)工作正✏️常與(yu)否的目的。
4.2 總(zong)量積算
　　前述(shu)我們介紹了(le)流量計工作(zuo)原理，通常還(hái)要計量在🏃🏻一(yī)💚定♈時✉️間範圍(wéi)内，流量計流(liú)過介質的體(ti)積或質量的(de)🌈累積量，因此(ci)顯示儀表具(ju)有累積計算(suàn)功能。下面我(wo)們根據流量(liàng)計實際工況(kuang)對一種累積(ji)值計算方法(fa)的實現進行(hang)分✊析。
圖 6 爲一(yi)種應用除法(fǎ)方案進行累(lèi)積計算的組(zu)成原㊙️理圖。

　　由(you)圖 6 可知，此積(jī)算器構成中(zhōng)包括了整形(xíng)、累積脈沖計(jì)🔴數、系統設定(dìng)、總量積算、軟(ruan)件數據的控(kòng)制等。其 4 個輸(shū)出端分别與(yǔ)🏃‍♂️四層波段開(kai)關的各層相(xiang)連，通過軟件(jian)控制，組成了(le)系統設定器(qì)。根據流量計(jì)系數ξ的值♉，可(kě)以在 0～9,999(其他參(can)數也可以)之(zhī)間任意選擇(ze)設定系數。
　　由(yóu)放大電路機(jī)構輸出的脈(mò)沖信号，經整(zheng)形處理後，成(chéng)爲具有一定(ding)幅值和能滿(mǎn)足前沿要求(qiu)的脈沖信号(hào)，将此信👅号轉(zhuǎn)入換算電路(lu)機構，它每輸(shū)出一個脈沖(chong)信号便拖動(dòng)計數電路機(jī)構統計一個(gè)數碼參數，同(tong)時軟件功能(néng)即可🆚識别紀(jì)錄出一個數(shù)字量，表明已(yǐ)經有一個單(dan)位介質體積(ji)的流量流過(guo)流量計。此時(shi)換算電路單(dān)元輸出的信(xin)号😍直接改變(biàn)觸發穩态電(diàn)路，使各計數(shu)參數值恢複(fu)到起始的“零(líng)”狀态，重複此(cǐ)過程即完成(cheng)了累積脈沖(chòng)的積算，就是(shì)對累積流量(liang)介質的積算(suàn)。
　　例如：口徑爲(wèi) 80,mm 的流量計，流(liú)量系數ξ爲16.25 脈(mo)沖/升，通過軟(ruan)件将✍️系數設(shè)定分别置于(yu) 1、6、2、5，則每當計數(shù)器收到 1,625 個脈(mo)沖信号的瞬(shun)時，軟件✊操作(zuò)發出指令并(bing)輸出一個固(gù)定頻率信号(hào)，使電路狀态(tai)發生變化，使(shi)計數電路結(jie)構統計一個(gè)計量單位，從(cong)而實現了逢(féng) K 進🔆一的累計(ji)運算，顯示儀(yí)表就能夠顯(xian)示出流體介(jiè)質總量。
　　通過(guò)上例分析可(ke)知，如果流量(liàng)計輸送到顯(xiǎn)示儀表🆚的脈(mo)沖🔴總數爲 N，經(jing)換算後，送到(dào)總量積算器(qi)的脈沖數爲(wèi) Nc，則流體介🌈質(zhi)計👈量總量爲(wei)：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式中：K 爲設定(ding)系數，(K＝10m·ξ)；m 爲整數(shù)。
　　本除法方案(an)設定系數的(de)方式較爲簡(jiǎn)單，穩定性比(bǐ)較好，電🌈路容(róng)易實現，可以(yǐ)直接将流量(liang)系數ξ 輸入軟(ruan)件中，控制系(xì)數設定器，積(jī)㊙️算器就可以(yi)逢 K 進一，顯示(shi)㊙️儀表指示出(chū)流體介質🤩總(zong)量。
5 結束語
　　本(ben)文對渦輪流(liu)量計流量計(ji)和儀表的工(gōng)作原理進行(háng)😄了分🍉析，總結(jié)了其工作過(guo)程。重點對參(can)數設定方法(fǎ)、電✌️路組成及(ji)作用等進行(háng)了說明。文章(zhāng)對測量不同(tong)介質狀态下(xia)選擇流量計(jì)以及使用方(fāng)法和過程調(diào)試具有一定(dìng)提示。

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