渦輪流量(liang)計(以下簡(jian)稱流量計(ji))是以流體(ti)動量矩原(yuan)理爲基礎(chu)的✊流量計(ji)量❓儀表。有(you)些科技文(wen)獻又将其(qi)劃分爲速(su)度式儀表(biao)，因爲在一(yi)定😍的流量(liang)範圍内，流(liu)量計的轉(zhuan)動速度與(yu)流體的流(liu)速成比例(li)關系。
　　渦輪(lun)流量計使(shi)用中的主(zhu)要特點：體(ti)積小；重量(liang)輕；精度高(gao)(有的流🔞量(liang)計可以當(dang)作計量标(biao)準儀表)；反(fan)應時☔間快(kuai)(有些可達(da)到毫秒級(ji))；量程比寬(kuan)(一般爲10∶1)；壓(ya)力損💋失小(xiao)；适用工作(zuo)流體溫度(du)高；輸🏃‍♂️出爲(wei)脈👣沖信号(hao)，故不🔞易受(shou)到幹擾；可(ke)以長距離(li)傳輸🤞，便于(yu)各種😘參數(shu)處理。當它(ta)與多功能(neng)、多參數的(de)顯示儀表(biao)(以下簡稱(cheng)儀表)組合(he)使用時，可(ke)🔴以同時對(dui)累積✉️流量(liang)、瞬時流量(liang)或流體溫(wen)度、内部壓(ya)力等參數(shu)進行測量(liang)及分析、調(diao)節。
1 渦輪流(liu)量計的工(gong)作過程
　　渦(wo)輪流量計(ji)通常由渦(wo)輪(機械部(bu)分)、磁電轉(zhuan)換器、放大(da)機構(電子(zi)部分)等組(zu)成。

　　當流體(ti)流經安裝(zhuang)在管道裏(li)的渦輪，即(ji)流經渦輪(lun)葉片與管(guan)✍️道之👨‍❤️‍👨間的(de)間隙時，由(you)于流體的(de)沖擊作用(yong)，使🧡得渦輪(lun)圍繞軸心(xin)發生旋轉(zhuan)。渦輪旋轉(zhuan)的轉數與(yu)介質流體(ti)的體積流(liu)量呈現近(jin)似的線性(xing)關系。再将(jiang)渦輪的旋(xuan)轉通過磁(ci)電轉換器(qi)變換成相(xiang)對應的電(dian)脈💋沖信号(hao)，以此脈沖(chong)信号經電(dian)子放大機(ji)構放大後(hou)，即可輸送(song)顯示儀表(biao)進行多參(can)數物理量(liang)的指示。
　　由(you)前可知，在(zai)測量範圍(wei)内，渦輪的(de)轉速與流(liu)量成正比(bi)，而信号的(de)🌈脈沖數則(ze)與渦輪的(de)轉速成正(zheng)比。所以，檢(jian)測💋出信号(hao)脈沖總數(shu)以💋後，除以(yi)儀表常數(shu)ξ(次/升)，便可(ke)計算得到(dao)該段時間(jian)内的介質(zhi)流體總量(liang) V(升)，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一(yi)例：流量計(ji)ξ爲 180 次/L，用儀(yi)器測出在(zai)10,min 内儀表計(ji)算得的脈(mo)👨‍❤️‍👨沖數爲👈 7,200 次(ci)，則 10,min内管道(dao)中流過流(liu)體的總量(liang)爲：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
2 渦(wo)輪旋轉的(de)基本原理(li)
　　渦輪流量(liang)計主要組(zu)件包括：導(dao)流體組件(jian)、渦輪組件(jian)👌、殼體、磁電(dian)轉🔴換器和(he)放大機構(gou)等。通過對(dui)流體流過(guo)管道及渦(wo)輪結構的(de)‼️分析，我們(men)可以得出(chu)，當流體沿(yan)管道的軸(zhou)線方向流(liu)動而沖擊(ji)渦輪葉片(pian)時，便有與(yu)流量 Q、密度(du)φ和流速 V 的(de)乘積成比(bi)例的力作(zuo)用于葉片(pian)🔴上，推動渦(wo)輪旋轉。

　　如圖 2 所(suo)示，由于渦(wo)輪對流體(ti)是作相對(dui)運動，如果(guo)渦輪旋♍轉(zhuan)的圓周速(su)度 V＝w·r 與軸線(xian)平行的流(liu)速與葉片(pian)的夾角☂️爲(wei)θ，流通面積(ji)爲 A，則介✂️質(zhi)流速 V＝Q/A，則推(tui)動渦輪旋(xuan)轉的力矩(ju) M 可用下式(shi)表示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中(zhong)：K1——與流量計(ji)結構尺寸(cun)、流體質量(liang)、狀态有關(guan)的參💁數；r——平(ping)均半徑，常(chang)取葉片寬(kuan)度 1/2 到中心(xin)的距離。
由(you)(2)式可知，力(li)矩 M 除與流(liu)量 Q 有關外(wai)，與流體介(jie)質密度ρ、流(liu)動狀态與(yu)流向等多(duo)個因素有(you)關。
　　在渦輪(lun)旋轉時，除(chu)推動渦輪(lun)旋轉的轉(zhuan)動力矩 M外(wai)，還同時存(cun)✔️在阻礙渦(wo)輪旋轉的(de)阻力矩，其(qi)中包括：介(jie)質粘度對(dui)渦💁輪摩擦(ca)引起的阻(zu)力矩 M1，軸承(cheng)摩擦引起(qi)的阻力矩(ju) M2，磁電轉換(huan)器引起的(de)磁電反應(ying)阻力矩M3。根(gen)據動量矩(ju)守恒原理(li)，渦輪的運(yun)動方程式(shi)可以用以(yi)下函數關(guan)系式表示(shi)：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式中：J——渦輪(lun)的轉動慣(guan)量；dω/dt——渦輪的(de)角加速度(du)。
　　由(3)式可知(zhi)，當 dω/dt 爲零時(shi)，渦輪以角(jiao)速度ω作勻(yun)速轉動；當(dang)流量發☁️生(sheng)變化時，dω/dt≠0，渦(wo)輪将作加(jia)速旋轉運(yun)動，經過一(yi)段時間後(hou)，随着流量(liang)的穩定，渦(wo)輪又會達(da)到新的力(li)矩平衡狀(zhuang)态，即 dω/dt 又等(deng)于零值。就(jiu)是說，渦輪(lun)将以另一(yi)🔞新的角速(su)度勻速旋(xuan)轉，以适應(ying)新的流量(liang)，并出現了(le)🏒新的穩定(ding)狀态。
　　通過(guo)分析和計(ji)算可知，在(zai) dω/dt＝0 時，渦輪轉(zhuan)動角速度(du)ω與體😘積流(liu)量 Q 有如下(xia)式的近似(si)關系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式中(zhong)：a——與流量計(ji)結構參數(shu)、流體介質(zhi)、流動狀态(tai)有關的系(xi)數；ξ——流量計(ji)轉換系數(shu)，當介質流(liu)量大于某(mou)一數值時(shi)⚽，在一段區(qu)間内可以(yi)近似看作(zuo)爲一常數(shu)，有時也稱(cheng)爲儀表常(chang)數。
　　儀表常(chang)數ξ是流量(liang)計重要的(de)特性參數(shu)，由于流量(liang)計是☔通過(guo)磁電轉換(huan)器将角速(su)度ω 轉換成(cheng)相應的脈(mo)沖數，因而(er)我們可以(yi)把ξ看成是(shi)單位體積(ji)流量 Q 通過(guo)流量計時(shi)🌏，轉換器輸(shu)出的脈沖(chong)數(脈沖數(shu)/升)，故也稱(cheng)爲流量系(xi)數。流量計(ji)作爲産品(pin)出廠時，生(sheng)産單位則(ze)是測取測(ce)量範圍内(nei)的轉換系(xi)數平均值(zhi)作爲儀表(biao)常數，因而(er)可以✔️認爲(wei)流體總量(liang) V 與脈沖數(shu) N 的關系🐕，如(ru)(5)式所示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁(ci)電轉換器(qi)的工作過(guo)程
磁電轉(zhuan)換器工作(zuo)時如圖 3 所(suo)示。
　　當流體(ti)通過渦輪(lun)葉片時，渦(wo)輪 5 将發生(sheng)旋轉運動(dong)，葉輪片🚶 4 将(jiang)周期性切(qie)割磁鋼 1 而(er)産生磁力(li)線 3，從而改(gai)變⚽通過線(xian)圈🔱 2 的磁通(tong)量，根據電(dian)磁感應原(yuan)理，在線圈(quan)内将感應(ying)出脈動的(de)電勢信号(hao)。不難理解(jie)，脈動電勢(shi)信号的頻(pin)率與渦輪(lun)旋轉的角(jiao)速度ω成正(zheng)比，即與被(bei)測💞介質的(de)流量 Q 成正(zheng)比。通過放(fang)大機構(電(dian)子部分)将(jiang)上述脈沖(chong)信号放大(da)到 1V 左右脈(mo)沖電壓，傳(chuan)送給顯示(shi)儀🏃‍♂️表，即可(ke)顯示出被(bei)測介質的(de)流量數據(ju)。

4 渦(wo)輪流量計(ji)顯示儀表(biao)工作原理(li)
　　根據我們(men)對流量計(ji)工作原理(li)的分析和(he)探讨，得知(zhi)🏃‍♀️流🚶‍♀️量計輸(shu)出💰的信号(hao)是電脈沖(chong)數，因此儀(yi)表就是将(jiang)單位時間(jian)的輸出脈(mo)沖和輸出(chu)脈沖的總(zong)數轉換成(cheng)瞬時流量(liang)和流體總(zong)量，并把以(yi)上數據進(jin)行分析後(hou)❤️通過數字(zi)量顯示。因(yin)而儀表的(de)組成可以(yi)用圖 4 所示(shi)🈲的方框圖(tu)表示：

4.1 瞬(shun)時流量指(zhi)示
　　瞬時流(liu)量指示的(de)實質，就是(shi)對瞬時頻(pin)率、脈沖信(xin)号的指示(shi)，是🔴将信号(hao)處理後的(de)頻率、脈沖(chong)線性地轉(zhuan)換⁉️成直流(liu)電信号而(er)指示相應(ying)的流量參(can)數。如果是(shi)模拟儀表(biao)，标尺常🐅以(yi)頻率(Hz)數值(zhi)分🈲度，指示(shi)👄的頻率值(zhi) f除以流量(liang)計儀表常(chang)數👅ξ就能夠(gou)得到瞬時(shi)體積流量(liang)值⚽Q。如圖 5 所(suo)示的頻率(lü)瞬時指😍示(shi)原理方框(kuang)圖。

　　經過整(zheng)形後的輸(shu)入頻率(脈(mo)沖)作用于(yu)計算電路(lu)的輸入端(duan) T，使電路中(zhong)交替出現(xian)截止或導(dao)通兩種狀(zhuang)态，放大器(qi)輸出端脈(mo)沖波形被(bei)整形，與 T 的(de)波形相反(fan)，當放大電(dian)路出現截(jie)止狀态時(shi)，電源 E 通過(guo)外圍電路(lu)(或集成内(nei)部)在儲能(neng)電❄️容 C 中預(yu)存電荷；當(dang)放大電路(lu)出現導通(tong)狀态時，C 預(yu)存的電荷(he)通過外圍(wei)電路(或集(ji)成内部)迅(xun)速釋放。就(jiu)這樣輸入(ru)的頻率(脈(mo)沖)經過💋電(dian)子電路改(gai)變爲與之(zhi)相對應的(de)電流信号(hao)。電路裏的(de)電流🛀指示(shi)儀表 4 即刻(ke)顯示該計(ji)量電流值(zhi) I 的🔴多少，I＝q/T，而(er) q＝C·E，f＝1/T(q 爲🌐一個脈(mo)沖周期電(dian)容所充電(dian)荷量；C 爲電(dian)容量；E 爲電(dian)源🤟電壓值(zhi)；f 爲充放電(dian)頻率)。合并(bing)三式可得(de)到公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由(you)公式(6)可知(zhi)，當電源電(dian)壓 E 和電容(rong)量 C 爲常數(shu)時，電流🆚 I 與(yu)👣輸✔️入脈沖(chong)的頻率 f 成(cheng)正比，當更(geng)改外圍電(dian)路(或集成(cheng)内部)儲存(cun)電荷的❓電(dian)容 C(1～n)參數或(huo)連接方式(shi)以及改變(bian)電路💃🏻數據(ju)時，就可以(yi)☁️得到不同(tong)介質的流(liu)量測量🙇🏻範(fan)圍。在有些(xie)流量計結(jie)構中，爲了(le)便于檢查(cha)指示儀🙇‍♀️表(biao)是否工作(zuo)正常，在放(fang)大器輸入(ru)端設置有(you)自檢電路(lu)裝置。它将(jiang)振蕩器産(chan)生的恒定(ding)頻率脈沖(chong)信✌️号送⛷️入(ru)後置電✔️路(lu)，實現🔴自動(dong)檢測工作(zuo)正常與否(fou)的目的。
4.2 總(zong)量積算
　　前(qian)述我們介(jie)紹了流量(liang)計工作原(yuan)理，通常還(hai)要計量在(zai)一定時間(jian)範圍内，流(liu)量計流過(guo)介質的體(ti)積或質😘量(liang)的累積量(liang)，因此顯示(shi)儀表具有(you)累積計算(suan)功能。下面(mian)我們根據(ju)流量計實(shi)際工況對(dui)一種累積(ji)值計算方(fang)法的實現(xian)進行分析(xi)。
圖 6 爲一種(zhong)應用除法(fa)方案進行(hang)累積計算(suan)的組成原(yuan)理圖。

　　由圖 6 可(ke)知，此積算(suan)器構成中(zhong)包括了整(zheng)形、累積脈(mo)沖計數、系(xi)統🤞設🌐定、總(zong)量積算、軟(ruan)件數據的(de)控制等。其(qi) 4 個輸出端(duan)分别與四(si)層波段開(kai)關的各層(ceng)相連，通過(guo)軟件控制(zhi)✂️，組成了系(xi)統設定器(qi)。根據流量(liang)計系數ξ的(de)值，可以在(zai) 0～9,999(其他參數(shu)也可以)之(zhi)間任意選(xuan)擇設定系(xi)數。
　　由放大(da)電路機構(gou)輸出的脈(mo)沖信号，經(jing)整形處理(li)後，成爲具(ju)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻有一定幅(fu)值和能滿(man)足前沿要(yao)求的脈沖(chong)信号，将此(ci)信👣号轉入(ru)換算電‼️路(lu)機構，它每(mei)輸出一個(ge)脈沖信号(hao)便拖動計(ji)數電路機(ji)構統計一(yi)個數碼參(can)數，同時軟(ruan)件功能即(ji)可識别紀(ji)錄🧡出一個(ge)數字量，表(biao)明已經有(you)一個單位(wei)介質體積(ji)的流量流(liu)🙇‍♀️過流量計(ji)。此時換算(suan)電路單元(yuan)輸出的信(xin)号直接改(gai)變觸發🤞穩(wen)态電路，使(shi)各計數參(can)數值恢複(fu)到起始的(de)“零”狀态，重(zhong)複此過程(cheng)即完成了(le)累積脈沖(chong)的積算，就(jiu)是對累積(ji)流量介質(zhi)的積算。
　　例(li)如：口徑爲(wei) 80,mm 的流量計(ji)，流量系數(shu)ξ爲16.25 脈沖/升(sheng)，通過軟件(jian)将系數設(she)定分别置(zhi)于 1、6、2、5，則每當(dang)計數器收(shou)到 1,625 個脈沖(chong)信🤞号的瞬(shun)時，軟件操(cao)作發出指(zhi)令并輸出(chu)一個固定(ding)頻率信号(hao)，使✊電路狀(zhuang)态發生變(bian)化，使計數(shu)電路結構(gou)統計一🐉個(ge)計量單位(wei)，從而實現(xian)了逢 K 進一(yi)的累計運(yun)算，顯示儀(yi)🔴表就能夠(gou)顯示出流(liu)體介質總(zong)量。
　　通過上(shang)例分析可(ke)知，如果流(liu)量計輸送(song)到顯示儀(yi)表的脈沖(chong)總👅數爲 N，經(jing)換算後，送(song)到總量積(ji)算器的脈(mo)沖數爲 Nc，則(ze)流體介⛱️質(zhi)計量總量(liang)爲：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式中：K 爲(wei)設定系數(shu)，(K＝10m·ξ)；m 爲整數。
　　本(ben)除法方案(an)設定系數(shu)的方式較(jiao)爲簡單，穩(wen)定性比較(jiao)好🙇🏻，電路容(rong)易實現，可(ke)以直接将(jiang)流量系數(shu)ξ 輸入軟件(jian)中，控制㊙️系(xi)數設定器(qi)，積算器就(jiu)可以逢 K 進(jin)一，顯示儀(yi)表指示出(chu)流體介質(zhi)總量。
5 結束(shu)語
　　本文對(dui)渦輪流量(liang)計流量計(ji)和儀表的(de)工作原理(li)進行了分(fen)析，總結了(le)其工作過(guo)程。重點對(dui)參數設定(ding)方法、電路(lu)組🎯成及作(zuo)用等進行(hang)了說明。文(wen)章對測量(liang)不同介質(zhi)狀态下選(xuan)擇流☎️量計(ji)以及使用(yong)💰方法和過(guo)程🔴調試具(ju)有🐕一定提(ti)示。

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