摘要：介紹(shao)了一種國産寬量(liàng)程氣體渦輪流量(liàng)計 的工作原理及(ji)渦輪的設計思想(xiang)，闡述了零阻力信(xìn)🔞号㊙️檢測法和儀表(biao)系數的非線性修(xiu)正法,并給出了室(shì)内❌檢定和工💞業現(xian)場的試驗數據。檢(jian)定結果表明，該流(liú)量計與進口設備(bèi)的計量結果基本(ben)一緻。目前♊這種國(guo)産流量計已☎️開始(shǐ)投入實際應用。
一(yī)、流量計概述
　　近年(nian)來,随着各行業對(dui)成本核算、貿易往(wǎng)來、節約能💛源、自動(dong)控制等工作的重(zhong)視,用戶對流量測(ce)量的需求日益增(zēng)多,同時對流量計(ji)的測量精度、量程(cheng)比、适用介，質等技(ji)術🤟指标提💯出了越(yuè)來越高的要求。由(yóu)于城市燃氣管網(wang)遍布于整個城市(shì),考慮到供氣安全(quan)、管道的沿程壓力(li)損失等問題，管道(dao)中的介質(液化天(tian)然氣、煤制氣🏃)一般(bān)壓力較低、流速不(bu)高,因此其流量測(cè).量有固有的特殊(shu)性。另外,因爲用氣(qi)高峰和低谷🤞時的(de)管道内流量🐅差距(ju)非常大,所以🌍需要(yao)一種量程寬、測量(liang)下限低的流量測(cè)量儀表。目前,國内(nei)外寬量程氣體流(liu)量計主要有以下(xià)幾種。
(1) 腰輪式(羅茨(cí)式)氣體流量計 .這(zhè)是一種體積式測(ce)量儀表,具有測量(liàng)下限低、量程寬、精(jing)🐉度高、與介質物性(xìng)參數關系不緊密(mì)等優點。但對氣體(ti)的潔淨程度要求(qiú)較高,使用中需要(yao)加裝過濾裝置,并(bing)需要經常清洗。
(2) 熱(rè)式氣體質量流量(liàng)計 。該流量計是利(li)用氣體傳熱性能(néng)與其質量流量的(de)關系測量流量,可(ke)測量很.低的流速(sù),具有較寬的測量(liàng)範圍,并具有一定(ding)🈲的抗雜質能力,是(shì)近年來發展很快(kuài)的💯一-種流量計。但(dàn)由于其工作原理(li)的局限性，易受氣(qi)體💋成分變化♌的影(ying)響，因此隻适用于(yu)成分比🏃🏻較穩定的(de)氣體流量測量。.
(3) 渦(wo)輪氣體流量計 。該(gai)流量計是利用葉(yè)輪在氣體推動下(xià)的轉動來測👌量氣(qi)體的流量,具有一(yi)定的抗雜質能力(li),并且不受氣體成(chéng)分變化的影響。該(gai)種流量計在國外(wài)使用較💯多,而國🌐産(chan)渦輪流量計🌈由于(yu)其流量.下限較高(gāo),因此很少在城市(shi)燃氣管網上使用(yòng)。
　　國内生産的氣體(ti)渦輪流量計技術(shu)指标爲， 滿管式渦(wō)輪流量計 的流速(su)測量範圍爲4~26m/s,精度(dù)爲±1.5%;插人式渦輪流(liú)量計的流速測量(liàng)範圍爲3~15m/s,精度爲±2.5%。
　　與(yu)國外同類産品相(xiang)比,國内産品在流(liu)速測量的下限這(zhè)一指标上具有較(jiao)大的差距,而這一(yi)指标在城市燃氣(qi)管網的流量測量(liàng)中極爲重要。
　　爲提(ti)高渦輪流量計的(de)量程比和擴展其(qi)測量下限☀️,研制出(chu)了一種寬量程、低(dī)流速氣體的渦輪(lún)流量計🏃🏻。這種渦輪(lún)流量計的精度在(zài)Qmin~0.2Qmax時爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時爲±1.5%,流速(su)測量範圍爲0.3~10m/s.這種(zhong)流😍量計爲插人式(shì)⭐結構,适用于.φ100~200口徑(jing)的管道,并具♍有維(wei)護方便的優點。
二(èr)、渦輪流量計工作(zuo)原理
　　渦輪流量計(ji) 的工作原理示意(yi)圖如圖1所示。在管(guan)道中心安放一個(ge)渦輪,流體通過時(shí)沖擊渦輪葉片,對(dui)渦輪産生驅動力(lì)矩,使📱渦輪克服摩(mó)擦力矩和流體阻(zǔ)力矩而産生旋轉(zhuan),其旋轉角速度💃與(yǔ)流體流速正相關(guan)。由檢測探頭檢測(ce)出葉片轉動頻率(lü),輸入流量顯示.積(ji)算儀得到瞬時流(liú)量和累計流量。
 
　　爲适(shi)應城市燃氣管網(wang)的流量測量要求(qiu),應盡量拓寬💘流量(liàng)測💁量的下限,即盡(jìn)量降低渦輪流量(liàng)計的始🐕動流量qmin.建(jiàn)立了一種🔴渦輪流(liu)量計的理.論模型(xing)。在流體處于定常(chang)流🍓狀态時,渦輪在(zai)流體的驅.動力矩(jǔ)T,作用下轉動，阻力(li)矩包括軸與軸承(cheng)之間摩擦産生的(de)♉機械摩擦阻力矩(jǔ)Trm.渦輪與♋流體之間(jiān)産生的流體阻力(lì)矩Trf,以及檢測探頭(tou)對渦輪産生的電(diàn)磁阻力矩Tre,并🚶‍♀️應有(you)以下平衡關🛀系:
 
　　由(you)流體力學3可知,當(dang)流體的流動處于(yu)湍流狀态時,流體(tǐ)産生的摩擦力正(zheng)比于流速的平方(fang);當流動處于層流(liu)狀态時,其摩擦力(lì)正比于流速,所以(yǐ)摩擦力均正相關(guān)于流速。當渦輪剛(gāng)啓動而處于始動(dong)流量附近時,顯然(rán)Trf趨近于㊙️零。故在分(fen)析始動流🌈量時可(kě)不🐉.考慮流體摩擦(ca)産生的阻力，而僅(jǐn)考慮機械摩擦和(he)🤩電磁阻力即💘可。
三(sān)、渦輪的設計與研(yán)究
　　渦輪流量計的(de)流量計算可采用(yòng)式(2):
 
式中qv一瞬時流(liu)量,m³/s;
F一渦輪葉片産(chǎn)生的信号頻率,Hz;
K一(yi)儀表系數,1/m³'。
　　在渦輪(lun)的設計方法中,首(shǒu)先要考慮的是盡(jin)量保.證儀🔴表系數(shù)的線性度,然後才(cai)能用式(2)進行流量(liang)計算。爲了滿足線(xiàn)性🚶‍♀️度的要求,葉片(piàn)一般設計成按圖(tú)1所示的螺旋狀葉(ye)片。在渦輪的研究(jiu)中,對❌于流量計的(de)信息處理采用了(le)計算機技術✌️,可以(yi)對儀🔞表系數的非(fēi)線性進行實時修(xiū)正。這就給葉片結(jie)構的設計提✨供了(le)更廣闊的空間,即(jí)設計時可以完全(quan)不考慮線性問題(ti)，而隻考慮能産生(shēng)🛀🏻足夠大的驅動力(lì)矩和盡量小的摩(mó)擦.力矩即可。
　　在經(jīng)過系列研究和實(shí)驗之後,渦輪最終(zhong)采用了由圖2所示(shi)的結🎯構。葉片類似(sì)于風扇葉片的形(xíng)狀,傾角45°,由0.3mm厚的不(bú)鏽鋼薄闆♊整體🈲沖(chong)壓而成，葉片數量(liàng)爲20片🔴。這種形狀的(de)葉片雖然非線性(xìng)較大,但重量相對(dui)較輕,這對于降低(di)始動流量很有好(hǎo)處,而其非線性則(ze)可通過單片機進(jìn)行曲線拟合的方(fang)法予以修正。
 
　　由圖(tu)2可以看出,這種渦(wō)輪沒有采用前後(hou)兩個:軸承的結構(gou),而是采用了單軸(zhóu)承式結構。軸承采(cǎi)用了進口的微型(xíng)滾動軸承❗。軸爲固(gù)定不動,單軸承安(an)裝在軸的中間，由(yóu)軸承套固🌈定葉片(piàn)。這種結😘構不僅減(jian)少了軸承引人的(de)機械摩擦,而且🙇‍♀️還(hai)克服了因前後軸(zhou)承不同心而産生(shēng)的阻力。另外,這種(zhong)結構也有利于軸(zhóu)承的防塵,密閉性(xìng)更好。
四、檢測探頭(tou)的研究
　　一般渦輪(lún)流量計采用内部(bù)嵌有永久磁鋼的(de)線圈作爲檢測🚩探(tàn)頭。葉片轉動時切(qiē)割磁力線産生感(gan)生電勢,該電勢耦(ǒu)合到線圈中，在線(xian)圈兩端可産生相(xiàng)應的周期性變化(huà)的感應電勢。當渦(wō)輪轉速很低時,可(ke)以觀察到它的轉(zhuǎn)動不穩定♌。當葉片(pian)運動到磁鋼附近(jin)時,會出🧑🏽‍🤝‍🧑🏻現一個減(jian)速甚至停頓的過(guo)程,這是由永久磁(cí)鋼對葉片的吸引(yin)力即電磁阻力造(zao)成♌的,因而在研究(jiū)渦輪的轉速特♊性(xìng)時,電磁阻力是一(yī)個必須予以重視(shì)的問題‼️。
　　檢測探頭(tou)内部嵌有一個軟(ruǎn)磁性材料的線圈(quān),其工作原理是以(yi)電渦流爲基礎(5]。在(zai)線圈中通以高頻(pín)激🏃‍♂️勵信号,周圍産(chan)生一個高頻交變(bian)磁場中。當葉片處(chu)于這-.磁💞場中時,葉(yè)片中就會産生電(dian)渦流。之後,該電渦(wō)流會産生一個阻(zu)礙高頻交變磁場(chang)中變化的磁場,,進(jin)而作用✂️在線圈上(shàng),對🌈高頻激勵信号(hào)的幅度與❌頻率予(yǔ)以調制。經信号處(chu)理電路,可反映葉(ye)片的頻率.變化。
　　該(gāi)檢測過程可等效(xiao)爲,将線圈和葉片(piàn)看作爲--個電感🎯L的(de)✉️原邊♈和次邊,L由線(xiàn)圈的自感L小、葉片(pian)的自感Lr以及它們(men)的互感M構成0)。當葉(ye)片離開線圈時,L中(zhong)僅存在❌L;當葉片處(chù)于線🚶‍♀️圈位置時，由(you)于互感M的㊙️作用,感(gǎn)抗L是變化的,而L作(zuo)爲LC振蕩電路中的(de)電感元件,它的變(biàn)化将改變振蕩電(dian)路信号的幅度與(yǔ)頻率。
　　采用這一電(diàn)磁激勵結構,由于(yu)不産生電磁引力(li)，因此不⚽存在電磁(ci)阻力,即
Tre=0
五、非線性(xing)修正的研究
　　如前(qian)所述,爲了降低渦(wo)輪的始動流量qvmin,并(bìng)降低儀表系👄數K較(jiao)大的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻非線性，如何(he)對非線性進行修(xiu)正就是一個需要(yao)解決的重要問題(tí)。
　　根據國家計量檢(jiǎn)定規程對速度式(shi)流量計檢定點的(de)規🔱定”，檢🔅定👨‍❤️‍👨點包括(kuo)7個點，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢定點(diǎn)的數量是有限的(de)7個,而🧡流量計在使(shǐ)用中,流量測量在(zài)qmin~qmax範圍内爲任意的(de)。這樣,流🔞量計的檢(jiǎn)定點和非檢定點(dian)就會遠遠超過7個(ge)💞。圖3給出了儀表.系(xì)數K與信号頻🔴率F(或(huò)流量q)的典型非線(xian)性趨勢。
 
　　顯然不能再(zài)沿用平均儀表系(xi)數計算流量的方(fang)法,而應🌏該用✊式(3)來(lái)計算在對應頻率(lǜ)信号F時的儀表系(xì)數K,再用式✌️(2)計算流(liu)量。
K=f(F)(3)
　　該拟合公式的(de)具體形式可用兩(liǎng)種方法求取,即折(shé)線法和最㊙️小二乘(chéng)方法。
　　折線法是指(zhi)将每兩個相鄰檢(jian)定點用直線相連(lián)接☁️。顯然,在檢定⛹🏻‍♀️點(diǎn)上,其拟合誤差爲(wei)零,然而在非檢定(dìng)點.上具有較大🥵誤(wù)差。表1給出了一組(zǔ)典型的折線法非(fei)線性⛱️修正拟🔴合數(shu)據。
　　拟合誤差的計(ji)算公式8]爲:
 
　　從表1可(kě)見,在非檢定點處(chù)的最大拟合誤差(cha)達到±1.65%。
　　最小二乘方(fāng)法得到的是一條(tiáo)連續曲線,其原則(ze)是使各檢定點到(dao)該曲線的誤差平(ping)方和爲最小。由于(yú)💰檢定點上得到㊙️的(de)數據并非标準值(zhí),其本身也具有一(yī)定的誤差,而🏃🏻‍♂️且實(shí)際使用的渦輪流(liu)量計K-F特性曲線應(yīng)該是連續的、平💯滑(huá)的,因此💃盡管在檢(jiǎn)📐定點處的✂️拟合誤(wu)差不一定等于零(líng),但用最小二乘方(fang)法得到的連續曲(qǔ)線應該能更好地(di)反🤟映K-F關系的本質(zhi)💛9]。表2給出了用最小(xiao)二乘方法得出的(de)一組非線性修正(zheng)拟合誤差數據。
 
　　由(you)表2可見,最大拟合(hé)誤差僅爲±0.15%,遠優于(yú)折線法的拟⭕合☔誤(wù)差結果✔️。
六.渦輪流(liu)量計的應用
　　儀表(biao)樣機于1998年在天然(ran)氣和煤制氣調壓(yā)站進行了試驗♻️運(yun)👨‍❤️‍👨行。在試驗管道上(shang),均串聯美國德菜(cai)塞儀器公司的羅(luo)茨表氣體🔞流量計(jì)(其精度爲±1%)作爲标(biāo)準表進行了✔️比對(dui)。表3.表4分别給出了(le)天然氣和煤制氣(qi)流量計試驗👌數據(ju).
 
　　從試驗結果可以(yi)看出,寬量程氣體(tǐ)渦輪流量計的計(jì)量🔅結果與價格昂(áng)貴的進口羅茨式(shì)儀表的計量🐪結果(guo)基本一緻,該流量(liang)計可以用于城市(shi)燃氣管網的流量(liàng)計量。

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