摘(zhai)要：介(jie)紹了(le)一種(zhong)國産(chan)寬量(liang)程氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji) 的工(gong)作原(yuan)理及(ji)渦輪(lun)的設(she)計思(si)想，闡(chan)述了(le)零阻(zu)力信(xin)号檢(jian)測法(fa)和儀(yi)表系(xi)數的(de)非線(xian)性修(xiu)正法(fa),并給(gei)出了(le)㊙️室内(nei)檢定(ding)和工(gong)業現(xian)場的(de)♈試驗(yan)數據(ju)。檢定(ding)結果(guo)表明(ming)，該流(liu)量計(ji)與進(jin)口設(she)備📞的(de)計量(liang)結果(guo)基本(ben)一緻(zhi)。目前(qian)這種(zhong)國産(chan)流量(liang)計已(yi)🌍開始(shi)投入(ru)實際(ji)應用(yong)。
一、流(liu)量計(ji)概述(shu)
　　近年(nian)來,随(sui)着各(ge)行業(ye)對成(cheng)本核(he)算、貿(mao)易往(wang)來、節(jie)約能(neng)源、自(zi)動控(kong)制等(deng)工作(zuo)的重(zhong)視,用(yong)戶對(dui)流量(liang)測量(liang)的需(xu)求日(ri)益增(zeng)㊙️多,同(tong)時對(dui)流量(liang)計的(de)測量(liang)精度(du)、量程(cheng)比、适(shi)用介(jie)，質等(deng)技術(shu)指标(biao)提出(chu)了越(yue)來越(yue)高💁的(de)要求(qiu)。由于(yu)城市(shi)燃氣(qi)🈚管網(wang)遍布(bu)于整(zheng)個城(cheng)市,考(kao)慮到(dao)供氣(qi)安全(quan)🏃‍♀️、管道(dao)的沿(yan)程壓(ya)力損(sun)失等(deng)🏃‍♀️問題(ti)，管道(dao)中的(de)介質(zhi)(液化(hua)天然(ran)氣、煤(mei)制氣(qi))一般(ban)壓力(li)較低(di)、流速(su)不高(gao),因此(ci)📞其流(liu)量測(ce).量有(you)固有(you)的特(te)殊性(xing)✂️。另外(wai),因爲(wei)‼️用氣(qi)高峰(feng)和低(di)谷時(shi)的管(guan)道内(nei)流量(liang)㊙️差距(ju)非常(chang)大,所(suo)以需(xu)要一(yi)種量(liang)程寬(kuan)、測量(liang)下限(xian)低的(de)流量(liang)測量(liang)儀表(biao)。目前(qian),國内(nei)外寬(kuan)量程(cheng)氣體(ti)流量(liang)計主(zhu)要有(you)以下(xia)幾種(zhong)。
(1) 腰輪(lun)式(羅(luo)茨式(shi))氣體(ti)流量(liang)計 .這(zhe)是一(yi)種體(ti)積式(shi)測量(liang)儀表(biao),具有(you)測量(liang)下限(xian)低、量(liang)程寬(kuan)、精度(du)高、與(yu)介質(zhi)物性(xing)參數(shu)關系(xi)不緊(jin)密等(deng)優點(dian)。但🧡對(dui)氣體(ti)的潔(jie)淨💁程(cheng)度要(yao)求較(jiao)高,使(shi)用中(zhong)需要(yao)加裝(zhuang)過濾(lü)裝置(zhi),并需(xu)要經(jing)常清(qing)洗。
(2) 熱(re)式氣(qi)體質(zhi)量流(liu)量計(ji) 。該流(liu)量計(ji)是利(li)用氣(qi)體傳(chuan)熱性(xing)能與(yu)其質(zhi)量流(liu)量的(de)關系(xi)🛀測量(liang)流量(liang),可測(ce)量很(hen).低的(de)流速(su),具有(you)較寬(kuan)的測(ce)量範(fan)🌂圍,并(bing)具有(you)一定(ding)⛱️的抗(kang)雜質(zhi)能力(li),是近(jin)年來(lai)發展(zhan)很快(kuai)的💋一(yi)-種流(liu)🛀🏻量計(ji)。但由(you)于其(qi)工作(zuo)原❌理(li)的局(ju)限性(xing)，易受(shou)氣體(ti)成分(fen)變化(hua)♈的影(ying)響，因(yin)此隻(zhi)适用(yong)于成(cheng)分比(bi)較穩(wen)定的(de)氣⚽體(ti)流量(liang)測量(liang)。.
(3) 渦輪(lun)氣體(ti)流量(liang)計 。該(gai)流量(liang)計是(shi)利用(yong)葉輪(lun)在氣(qi)體推(tui)動下(xia)的轉(zhuan)動來(lai)測量(liang)氣體(ti)的流(liu)✉️量,具(ju)有一(yi)定的(de)抗雜(za)質能(neng)力,并(bing)且不(bu)受🔅氣(qi)體成(cheng)分變(bian)化的(de)影❤️響(xiang)。該🈲種(zhong)流量(liang)計在(zai)國外(wai)使用(yong)較多(duo),而國(guo)産渦(wo)輪流(liu)量計(ji)由于(yu)其⭐流(liu)量.下(xia)限較(jiao)高,因(yin)此很(hen)少在(zai)城市(shi)燃氣(qi)管🌈網(wang)上使(shi)用。
　　國(guo)内生(sheng)産的(de)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計技(ji)術指(zhi)标爲(wei)， 滿管(guan)式渦(wo)輪流(liu)量計(ji) 的流(liu)速測(ce)量範(fan)圍爲(wei)4~26m/s,精度(du)爲±1.5%;插(cha)人式(shi)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)流速(su)💜測量(liang)範圍(wei)爲3~15m/s,精(jing)度爲(wei)±2.5%。
　　與國(guo)外同(tong)類産(chan)品相(xiang)比,國(guo)内産(chan)品在(zai)流速(su)測量(liang)的下(xia)限這(zhe)一💘指(zhi)标上(shang)具有(you)較大(da)的差(cha)距,而(er)這一(yi)指标(biao)在城(cheng)市燃(ran)氣管(guan)網的(de)🔞流量(liang)測量(liang)中極(ji)爲重(zhong)要。
　　爲(wei)提高(gao)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)量程(cheng)比和(he)擴展(zhan)其測(ce)量下(xia)限🏃‍♀️,研(yan)制出(chu)了一(yi)種寬(kuan)量程(cheng)、低流(liu)速氣(qi)體的(de)渦輪(lun)流量(liang)計。這(zhe)種渦(wo)輪🤩流(liu)量計(ji)的精(jing)度在(zai)Qmin~0.2Qmax時爲(wei)±2%,在0.2Qmax~Qmax時(shi)爲±1.5%,流(liu)速測(ce)量範(fan)圍爲(wei)0.3~10m/s.這種(zhong)流量(liang)計爲(wei)插人(ren)式結(jie)構,适(shi)用于(yu).φ100~200口徑(jing)的管(guan)道,并(bing)具有(you)維護(hu)方便(bian)的優(you)點。
二(er)、渦輪(lun)流量(liang)計工(gong)作原(yuan)理
　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji) 的工(gong)作原(yuan)理示(shi)意圖(tu)如圖(tu)1所示(shi)。在管(guan)道中(zhong)心安(an)放一(yi)個渦(wo)輪,流(liu)🌈體通(tong)過時(shi)沖擊(ji)渦輪(lun)葉片(pian),對渦(wo)輪産(chan)生驅(qu)動力(li)矩,使(shi)渦輪(lun)克服(fu)♈摩擦(ca)力矩(ju)和流(liu)體阻(zu)力矩(ju)而産(chan)生旋(xuan)轉,其(qi)旋轉(zhuan)角速(su)度🍉與(yu)流體(ti)流速(su)正相(xiang)關。由(you)檢測(ce)探頭(tou)檢測(ce)🔞出葉(ye)片轉(zhuan)🌐動頻(pin)率,輸(shu)💘入流(liu)量顯(xian)示.積(ji)算儀(yi)得到(dao)瞬時(shi)流量(liang)和累(lei)計流(liu)😍量。
 
　　爲适(shi)應城(cheng)市燃(ran)氣管(guan)網的(de)流量(liang)測量(liang)要求(qiu),應盡(jin)量拓(tuo)寬流(liu)量測(ce)量的(de)下限(xian),即盡(jin)量降(jiang)低渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的始(shi)㊙️動流(liu)量qmin.建(jian)立了(le)一種(zhong)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)理.論(lun)模型(xing)。在流(liu)體處(chu)于定(ding)常流(liu)狀态(tai)時,渦(wo)輪在(zai)流體(ti)的驅(qu).動力(li)矩T,作(zuo)用下(xia)轉動(dong)，阻力(li)矩包(bao)括軸(zhou)與軸(zhou)承之(zhi)間摩(mo)⁉️擦産(chan)生的(de)機械(xie)摩擦(ca)阻㊙️力(li)矩Trm.渦(wo)輪與(yu)流體(ti)之間(jian)産生(sheng)的流(liu)體阻(zu)力矩(ju)Trf,以及(ji)檢測(ce)探頭(tou)對渦(wo)輪産(chan)生的(de)電磁(ci)阻力(li)矩Tre,并(bing)應有(you)以下(xia)平衡(heng)關⛱️系(xi):
 
　　由流(liu)體力(li)學3可(ke)知,當(dang)流體(ti)的流(liu)動處(chu)于湍(tuan)流狀(zhuang)态時(shi),流體(ti)産生(sheng)的❤️摩(mo)擦力(li)正比(bi)于流(liu)速的(de)平方(fang);當流(liu)動處(chu)于層(ceng)流狀(zhuang)态時(shi),其摩(mo)擦力(li)正比(bi)于流(liu)速,所(suo)以摩(mo)擦力(li)均正(zheng)相關(guan)于流(liu)速。當(dang)渦輪(lun)剛啓(qi)動而(er)處于(yu)始動(dong)流量(liang)附近(jin)時,顯(xian)然Trf趨(qu)近于(yu)零。故(gu)在分(fen)析始(shi)動流(liu)量時(shi)可不(bu).考慮(lü)流體(ti)摩擦(ca)産生(sheng)的阻(zu)力，而(er)僅考(kao)慮機(ji)械摩(mo)擦和(he)電磁(ci)阻力(li)即可(ke)。
三、渦(wo)輪的(de)設計(ji)與研(yan)究
　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的流(liu)量計(ji)算可(ke)采用(yong)式(2):
 
式(shi)中qv一(yi)瞬時(shi)流量(liang),m³/s;
F一渦(wo)輪葉(ye)片産(chan)生的(de)信号(hao)頻率(lü),Hz;
K一儀(yi)表系(xi)數,1/m³'。
　　在(zai)渦輪(lun)的設(she)計方(fang)法中(zhong),首先(xian)要考(kao)慮的(de)是盡(jin)量保(bao).證儀(yi)❓表系(xi)數❌的(de)線性(xing)度,然(ran)後才(cai)能用(yong)式(2)進(jin)行流(liu)量計(ji)算。爲(wei)了滿(man)足🌈線(xian)性度(du)的要(yao)求📧,葉(ye)片一(yi)般設(she)計成(cheng)按圖(tu)1所示(shi)的螺(luo)旋狀(zhuang)葉片(pian)。在渦(wo)輪的(de)研究(jiu)中,對(dui)于流(liu)量計(ji)的信(xin)息處(chu)理🧑🏾‍🤝‍🧑🏼采(cai)用了(le)計算(suan)機技(ji)術,可(ke)以對(dui)儀表(biao)系數(shu)的非(fei)線性(xing)進行(hang)實時(shi)修正(zheng)。這💚就(jiu)給葉(ye)片結(jie)構的(de)設計(ji)提🌈供(gong)了更(geng)廣闊(kuo)的空(kong)間,即(ji)設計(ji)時可(ke)以完(wan)全不(bu)考慮(lü)線性(xing)問題(ti)，而隻(zhi)考慮(lü)能産(chan)生足(zu)夠大(da)的🌈驅(qu)動力(li)矩和(he)盡量(liang)小的(de)摩擦(ca).力矩(ju)即❄️可(ke)。
　　在經(jing)過系(xi)列研(yan)究和(he)實驗(yan)之後(hou),渦輪(lun)最終(zhong)采用(yong)了由(you)圖2所(suo)🌈示的(de)結構(gou)。葉片(pian)類似(si)于風(feng)扇葉(ye)片的(de)形狀(zhuang),傾角(jiao)45°,由0.3mm厚(hou)的不(bu)🔞鏽鋼(gang)薄闆(pan)整體(ti)沖壓(ya)而成(cheng)，葉片(pian)數量(liang)爲20片(pian)。這種(zhong)形狀(zhuang)的葉(ye)片雖(sui)然非(fei)線性(xing)較大(da),但🌈重(zhong)量相(xiang)對較(jiao)輕,這(zhe)對于(yu)🥰降低(di)始動(dong)流量(liang)很有(you)好處(chu),而其(qi)非線(xian)性則(ze)✂️可通(tong)過單(dan)片機(ji)進行(hang)曲線(xian)🚩拟合(he)的方(fang)法予(yu)以修(xiu)正。
 
　　由(you)圖2可(ke)以看(kan)出,這(zhe)種渦(wo)輪沒(mei)有采(cai)用前(qian)後兩(liang)個:軸(zhou)承💃的(de)結構(gou),而是(shi)采用(yong)了單(dan)軸承(cheng)式結(jie)構。軸(zhou)承采(cai)用了(le)進口(kou)的微(wei)型滾(gun)動軸(zhou)承。軸(zhou)爲固(gu)定不(bu)動,單(dan)軸承(cheng)安裝(zhuang)在軸(zhou)的中(zhong)🌈間，由(you)軸承(cheng)套固(gu)定葉(ye)片。這(zhe)種結(jie)構不(bu)僅減(jian)少了(le)軸承(cheng)引人(ren)的機(ji)械摩(mo)擦,而(er)且還(hai)克服(fu)了因(yin)前後(hou)軸承(cheng)不同(tong)心而(er)産生(sheng)的阻(zu)力。另(ling)外,這(zhe)種結(jie)構也(ye)有利(li)于軸(zhou)承的(de)防塵(chen),密閉(bi)性更(geng)好。
四(si)、檢測(ce)探頭(tou)的研(yan)究
　　一(yi)般渦(wo)輪流(liu)量計(ji)采用(yong)内部(bu)嵌有(you)永久(jiu)磁鋼(gang)的線(xian)圈‼️作(zuo)爲🚩檢(jian)測探(tan)頭。葉(ye)片轉(zhuan)動時(shi)切割(ge)磁力(li)線産(chan)生感(gan)生電(dian)勢,該(gai)電勢(shi)耦合(he)到線(xian)圈中(zhong)，在線(xian)圈兩(liang)端可(ke)産生(sheng)相應(ying)的周(zhou)期性(xing)變化(hua)的感(gan)應電(dian)勢。當(dang)渦輪(lun)轉速(su)很低(di)時,可(ke)以觀(guan)察到(dao)它的(de)轉動(dong)不穩(wen)定。當(dang)葉片(pian)運動(dong)到磁(ci)鋼附(fu)近時(shi),會出(chu)現一(yi)個減(jian)速🏃‍♀️甚(shen)至停(ting)頓的(de)過程(cheng),這是(shi)由💜永(yong)久磁(ci)鋼對(dui)葉片(pian)的吸(xi)引力(li)即電(dian)磁阻(zu)力造(zao)成的(de),因而(er)在研(yan)究👄渦(wo)輪的(de)轉速(su)特✌️性(xing)時,電(dian)磁🌈阻(zu)力是(shi)一個(ge)必須(xu)予以(yi)重視(shi)的問(wen)題👄。
　　檢(jian)測探(tan)頭内(nei)部嵌(qian)有一(yi)個軟(ruan)磁性(xing)材料(liao)的線(xian)圈,其(qi)工作(zuo)⛱️原理(li)是以(yi)電渦(wo)流爲(wei)基礎(chu)(5]。在線(xian)圈中(zhong)通以(yi)高頻(pin)激勵(li)信✔️号(hao),周圍(wei)産生(sheng)一個(ge)高✔️頻(pin)交變(bian)磁場(chang)中。當(dang)葉片(pian)處于(yu)這-.磁(ci)場中(zhong)時,葉(ye)片中(zhong)👈就會(hui)産生(sheng)電渦(wo)流。之(zhi)後,該(gai)電渦(wo)流會(hui)産生(sheng)一個(ge)阻礙(ai)高頻(pin)交變(bian)磁場(chang)中變(bian)化的(de)磁場(chang),,進而(er)作用(yong)在線(xian)圈上(shang),對♻️高(gao)頻激(ji)勵信(xin)号的(de)幅度(du)與頻(pin)率予(yu)以調(diao)制📧。經(jing)信号(hao)處理(li)電路(lu),可反(fan)映葉(ye)片的(de)頻🐆率(lü).變化(hua)。
　　該檢(jian)測過(guo)程可(ke)等效(xiao)爲,将(jiang)線圈(quan)和葉(ye)片看(kan)作爲(wei)--個電(dian)感L的(de)原邊(bian)和次(ci)邊,L由(you)線圈(quan)的自(zi)感L小(xiao)、葉片(pian)的自(zi)感Lr以(yi)及它(ta)們的(de)😄互感(gan)M構成(cheng)0)。當葉(ye)🐪片離(li)開線(xian)圈時(shi),L中僅(jin)存在(zai)L;當葉(ye)片處(chu)于線(xian)圈位(wei)置時(shi)，由于(yu)互感(gan)M的作(zuo)用,感(gan)抗L是(shi)🆚變化(hua)的,而(er)L作爲(wei)LC振蕩(dang)🌂電路(lu)中的(de)電感(gan)元件(jian),它的(de)變化(hua)♊将改(gai)變振(zhen)蕩♌電(dian)路信(xin)号的(de)幅度(du)與頻(pin)率。
　　采(cai)用這(zhe)一電(dian)磁激(ji)勵結(jie)構,由(you)于不(bu)産生(sheng)電磁(ci)引力(li)，因此(ci)不存(cun)在電(dian)磁阻(zu)力,即(ji)
Tre=0
五、非(fei)線性(xing)修正(zheng)的研(yan)究
　　如(ru)前所(suo)述,爲(wei)了降(jiang)低渦(wo)輪的(de)始動(dong)流量(liang)qvmin,并降(jiang)低儀(yi)表系(xi)數K較(jiao)大的(de)非線(xian)性，如(ru)何對(dui)非線(xian)性進(jin)行修(xiu)正就(jiu)是一(yi)個需(xu)要解(jie)決的(de)重要(yao)問題(ti)。
　　根據(ju)國家(jia)計量(liang)檢定(ding)規程(cheng)對速(su)度式(shi)流量(liang)計檢(jian)定點(dian)的規(gui)定”，檢(jian)定點(dian)包括(kuo)7個點(dian)，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和(he)qmar檢定(ding)點的(de)數量(liang)是有(you)限的(de)7個,而(er)流量(liang)🌂計在(zai)使用(yong)🏃🏻‍♂️中,流(liu)量測(ce)量在(zai)qmin~qmax範圍(wei)内爲(wei)😄任意(yi)的🌈。這(zhe)樣,流(liu)量計(ji)的檢(jian)定點(dian)和非(fei)檢定(ding)點就(jiu)會遠(yuan)遠超(chao)過7個(ge)。圖3給(gei)出了(le)💋儀表(biao).系數(shu)K與信(xin)号頻(pin)率F(或(huo)流量(liang)q)的典(dian)型非(fei)線性(xing)趨勢(shi)。
 
　　顯(xian)然不(bu)能再(zai)沿用(yong)平均(jun)儀表(biao)系數(shu)計算(suan)流量(liang)的方(fang)法,而(er)應該(gai)用🐉式(shi)🌐(3)來計(ji)算在(zai)對應(ying)頻率(lü)信号(hao)F時的(de)儀表(biao)系數(shu)K,再用(yong)式❓(2)計(ji)算流(liu)量♍。
K=f(F)(3)
　　該(gai)拟合(he)公式(shi)的具(ju)體形(xing)式可(ke)用兩(liang)種方(fang)法求(qiu)取,即(ji)折線(xian)法🌈和(he)最小(xiao)二乘(cheng)方法(fa)。
　　折線(xian)法是(shi)指将(jiang)每兩(liang)個相(xiang)鄰檢(jian)定點(dian)用直(zhi)線相(xiang)連接(jie)。顯然(ran),在👅檢(jian)定點(dian)上,其(qi)拟合(he)誤差(cha)爲零(ling),然而(er)在非(fei)檢定(ding)點.上(shang)具有(you)較大(da)誤差(cha)🌈。表1給(gei)出了(le)一組(zu)典型(xing)的折(she)線法(fa)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻非線(xian)性🔴修(xiu)正拟(ni)合數(shu)據。
　　拟(ni)合誤(wu)差的(de)計算(suan)公式(shi)8]爲:
 
　　從(cong)表1可(ke)見,在(zai)非檢(jian)定點(dian)處的(de)最大(da)拟合(he)誤差(cha)達到(dao)±1.65%。
　　最小(xiao)二乘(cheng)方法(fa)得到(dao)的是(shi)一條(tiao)連續(xu)曲線(xian),其原(yuan)則是(shi)使各(ge)🍉檢定(ding)點到(dao)該曲(qu)線的(de)誤差(cha)平方(fang)和爲(wei)最小(xiao)。由于(yu)💋檢定(ding)點上(shang)得到(dao)的數(shu)據并(bing)非标(biao)準值(zhi),其本(ben)身也(ye)具有(you)一定(ding)的🈲誤(wu)差,而(er)且實(shi)際使(shi)用的(de)渦輪(lun)流量(liang)計K-F特(te)性曲(qu)線應(ying)該是(shi)連續(xu)的、平(ping)滑的(de),因此(ci)盡管(guan)在檢(jian)定點(dian)處的(de)拟合(he)誤差(cha)不🤩一(yi)定等(deng)于零(ling),但用(yong)最小(xiao)二🏃‍♀️乘(cheng)方法(fa)得到(dao)的連(lian)續曲(qu)線應(ying)該能(neng)更好(hao)地反(fan)映K-F關(guan)系的(de)本質(zhi)📱9]。表2給(gei)出了(le)用最(zui)小二(er)乘方(fang)法得(de)出的(de)一組(zu)非線(xian)性修(xiu)正拟(ni)合誤(wu)差數(shu)據。
 
　　由(you)表2可(ke)見,最(zui)大拟(ni)合誤(wu)差僅(jin)爲±0.15%,遠(yuan)優于(yu)折線(xian)法的(de)拟合(he)🔞誤差(cha)結❄️果(guo)🔴。
六.渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的應(ying)用
　　儀(yi)表樣(yang)機于(yu)1998年在(zai)天然(ran)氣和(he)煤制(zhi)氣調(diao)壓站(zhan)進行(hang)了試(shi)驗運(yun)行。在(zai)試驗(yan)管道(dao)上,均(jun)串聯(lian)美國(guo)德菜(cai)塞儀(yi)器✊公(gong)司的(de)羅茨(ci)表氣(qi)體流(liu)量計(ji)(其精(jing)度爲(wei)±1%)作爲(wei)标準(zhun)表進(jin)行了(le)比對(dui)。表3.表(biao)4分别(bie)🈲給出(chu)了天(tian)然氣(qi)和煤(mei)制氣(qi)流量(liang)計試(shi)驗數(shu)據.
 
　　從(cong)試驗(yan)結果(guo)可以(yi)看出(chu),寬量(liang)程氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的💚計(ji)❌量結(jie)果與(yu)價格(ge)昂貴(gui)的進(jin)口羅(luo)茨式(shi)儀表(biao)的計(ji)量結(jie)果基(ji)本一(yi)緻🔞,該(gai)流✍️量(liang)計可(ke)以用(yong)于城(cheng)市燃(ran)氣管(guan)網🤩的(de)流量(liang)計量(liang)。

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