渦輪流量計(jì)工作原理

渦輪流量計(jì)（簡稱 TUF ）是葉輪式流量(流速計(jì))的主要品種，葉輪式流量計(jì)還有風(fēng)速計(jì)、水表等。渦輪流量計(jì) TUF 由傳感器和轉(zhuǎn)換顯示儀組成，傳感器采用多葉片的轉(zhuǎn)子感受流體的平均流速，從而推導(dǎo)出流量或總量。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（或轉(zhuǎn)數(shù)）可用機(jī)械、磁感應(yīng)、光電方式檢出并由讀出裝置進(jìn)行顯示和傳送記錄。據(jù)稱美國早在 1886 年即發(fā)布過第一個(gè)渦輪流量計(jì) TUF 專利， 1914 年的專利認(rèn)為渦輪流量計(jì) TUF 的流量與頻率有關(guān)。美國的第一臺(tái) TUF 是在 1938 年開發(fā)的，它用于飛機(jī)上燃油的流量測(cè)量，只是直至二戰(zhàn)后因噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和液體噴氣燃料急需一種高精度、快速響應(yīng)的流量計(jì)才使它獲得真正的工業(yè)應(yīng)用。如今，它已在石油、化工、科研、國防、計(jì)量各部門中獲得廣泛應(yīng)用。

流量計(jì)中渦輪流量計(jì) TUF 、容積式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)是三類重復(fù)性、精確度最佳的產(chǎn)品，而渦輪流量計(jì) TUF 又具有自己的特點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大（同樣口徑可通過的流量大）和可適應(yīng)高參數(shù)（高溫、高壓和低溫）等。至今，流量計(jì)產(chǎn)品可達(dá)技術(shù)參數(shù)：口徑 4 一 750 mm ，壓力達(dá) 250MPa ，溫度為 -240 一 700 ℃ ，像這樣的技術(shù)參數(shù)其他兩類流量計(jì)是難以達(dá)到的。

TUF 在以下一些測(cè)量對(duì)象獲得廣泛應(yīng)用：石油、有機(jī)液體、無機(jī)液、液化氣、天然氣、煤氣和低溫流體等。在國外液化石油氣、成品油和輕質(zhì)原油等的轉(zhuǎn)運(yùn)及集輸站，大型原油輸送管線的首末站都大量采用它進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。在歐洲和美國渦輪流量計(jì) TUF 是僅次于孔板流量計(jì)的天然氣計(jì)量儀表，僅荷蘭在天然氣管線上就采用了 2600 多臺(tái)各種尺寸，壓力從 0 . 8MPa 到 6 . 5MPa 的氣體渦輪流量計(jì) TUF ，它們已成為優(yōu)良的天然氣流量計(jì)。

盡管 TUF 的優(yōu)良計(jì)量特性受到人們的青睞，可是給人的印象是有活動(dòng)部件，使用期短，在選用時(shí)不免躊躇，經(jīng)過人們的不懈努力，應(yīng)該說情況大有改觀。由于采用了特殊的耐磨軸承，傳感器不僅可用于清潔介質(zhì)，還可適用于微粒介質(zhì)。國內(nèi)某廠產(chǎn)品的平均無故障工作時(shí)間（ MTBF ）達(dá)到 2 萬 h ，在輸油（成品油）管線中定的指標(biāo)為 8000h ，亦即基本上可以連續(xù)工作一年，與儀表大修期一致起來。由于傳感器的結(jié)構(gòu)較為簡單，失效后的可維修性較好，如此用戶就放心了。據(jù)荷蘭產(chǎn)品資料介紹，曾經(jīng)對(duì) 240 臺(tái)使用 8 ~15 年的天然氣 TUF 進(jìn)行周期檢定，發(fā)現(xiàn)儀表的精確度的偏移仍在規(guī)定范圍內(nèi)。

TUF 作為最通用的流量計(jì)，其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、全系列、多規(guī)格批量生產(chǎn)的規(guī)模。應(yīng)該指出， TUF 除前述工業(yè)部門大量應(yīng)用外，在一些特殊部門亦得到廣泛應(yīng)用，如科研實(shí)驗(yàn)、國防科技、計(jì)量部門，這些領(lǐng)域的使用恰好避開了其弱點(diǎn)（不適于長期連續(xù)使用），充分發(fā)揮其特點(diǎn)（高精度，重復(fù)性好，可用于高壓、高溫、低溫及微流量等條件）。在這些領(lǐng)域，大多是根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特殊要求進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它們是專用儀表不進(jìn)行批量生產(chǎn)。

20 世紀(jì) 90 年代中期世界范圍內(nèi)， TUF 銷售臺(tái)數(shù)和金額在流量儀表總量中各占 9 ％左右，年銷售 19 萬臺(tái)左右；在我國 90 年代初銷售臺(tái)數(shù)占流量儀表總量（不包括家用燃?xì)獗砗退砑安ＡЧ芨∽恿髁坑?jì)）亦為 9 ％左右，年銷售 1 . 4 萬臺(tái)左右。 90 年代中期，銷售有所下降，近來隨著天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展又有回升趨勢(shì)。

7 . 1 所示為 TUF 傳感器結(jié)構(gòu)簡圖，由圖可見，當(dāng)被測(cè)流體流過傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測(cè)線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì)，即電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。 TUF 的流量方程可分為兩種：實(shí)用流量方程和理論流量方程。

( 1 ）實(shí)用流量方程

qv = f / K ( 7 . 1 )

qm =qv ρ ( 7 . 2 )

式中 qv , qm ― 分別為體積流量 m3 ／s , 質(zhì)量流量,kg/s ; f--流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率Hz ；K―流量計(jì)的儀表系數(shù)， P / m3 。

流量計(jì)的儀表系數(shù)與流量（或管道雷諾數(shù)）的關(guān)系曲線如圖 7 . 2 所示。由圖可見，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下限時(shí)，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過流量上限時(shí)要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的 TUF 特性曲線的形狀是相似的，它僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。

傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出，它完全不問傳感器內(nèi)部流體的流動(dòng)機(jī)理，把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸人（流量）和輸出（頻率脈沖信號(hào)）確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)，它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意，此轉(zhuǎn)換系數(shù)（儀表系數(shù)）是有條件的，其校驗(yàn)條件是參考條件，如果使用時(shí)偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。

( 2 ）理論流量方程

根據(jù)動(dòng)量矩定理可以列出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程，

J dω/dt=M1-M2-M3-M4 ( 7 . 3 )

式中 J ― 葉輪的慣性矩； d ω /dt ― 葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度； Ml ― 流體驅(qū)動(dòng)力矩； M2 ― 粘性阻力矩； M3 ― 軸承摩擦阻力矩； M4 ― 磁阻力矩。當(dāng)葉輪以恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)， Jd ω /d ＝ 0 ，則 M1=M2+M3+M4 。經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得

n=Aqv+B-C/qv( 7 . 4 )

式中 n ― 葉輪轉(zhuǎn)速； qv ― 體積流量； A ― 與流體物性（密度、粘度等），葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（葉片傾角、葉輪直徑、流道截面積等）有關(guān)的系數(shù)； B ― 與葉片頂隙，流體流速分布有關(guān)的系數(shù)； C ― 與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結(jié)構(gòu)及流體工作條件。至今 TUF 儀表特性的水動(dòng)力學(xué)特性仍舊不很清楚，它與流體物性及流動(dòng)特性有復(fù)雜的關(guān)系。比如當(dāng)流場(chǎng)有旋渦和非對(duì)稱速度分布時(shí)水動(dòng)力學(xué)特性就非常復(fù)雜。不能用理論式推導(dǎo)儀表系數(shù)，儀表系數(shù)仍需由實(shí)流校驗(yàn)確定。但是理論流量方程有巨大的實(shí)用意義，它可用于指導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)使用條件變化時(shí)儀表系數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測(cè)和估算 .