摘(zhāi)要：介紹(shào)了一種(zhong)國産寬(kuan)量程氣(qi)體渦輪(lún)流量計(jì) 的工作(zuò)原理及(ji)渦輪的(de)設計思(si)想，闡述(shù)了零阻(zǔ)力信号(hao)♋檢測法(fa)和儀表(biao)系數的(de)非線性(xing)修正法(fa),并給出(chū)了室内(nèi)檢定和(he)工🔞業現(xiàn)場的試(shi)驗數據(ju)。檢定結(jié)果表明(ming)，該流量(liang)📱計與進(jin)口設備(bei)的計量(liang)🔴結果基(jī)本一緻(zhi)。目前這(zhè)種國産(chan)🙇‍♀️流量計(ji)已開始(shi)投入實(shi)際應用(yong)。
一、流量(liang)計概述(shù)
　　近年來(lai),随着各(gè)行業對(duì)成本核(hé)算、貿易(yì)往來、節(jie)約能源(yuán)🙇‍♀️、自動♊控(kong)制等工(gōng)作的重(zhòng)視,用戶(hù)對流量(liang)測量的(de)需求日(ri)益增多(duō),同時對(duì)流量計(ji)的測量(liàng)精度、量(liang)程比、适(shi)用介，質(zhì)等技術(shù)指标提(tí)出了越(yue)來越高(gao)的要求(qiú)。由于城(chéng)市燃氣(qi)管網遍(bian)布㊙️于整(zheng)個城市(shi),考慮到(dào)🚩供氣安(an)全、管道(dao)的沿程(chéng)壓力損(sǔn)失等問(wen)題，管道(dào)中🌈的介(jiè)質(液化(huà)天然氣(qi)、煤制氣(qi))一般壓(ya)力較低(dī)🔴、流速不(bú)高,因此(ci)🌈其流量(liàng)測.量有(yǒu)‼️固有的(de)特殊性(xìng)。另外,因(yīn)爲用氣(qi)高峰和(hé)低谷時(shi)的管道(dao)内流量(liàng)差距非(fēi)常大,所(suǒ)以需要(yào)一種量(liàng)程寬、測(cè)量下限(xian)低的流(liu)量測量(liàng)儀表。目(mu)前,國内(nei)外寬☔量(liàng)程氣體(tǐ)流量計(jì)主要有(yǒu)以下幾(ji)種。
(1) 腰輪(lún)式(羅茨(ci)式)氣體(tǐ)流量計(ji) .這是一(yī)種體積(jī)式測量(liang)儀表,具(ju)有測量(liàng)下限低(dī)、量程寬(kuān)、精度⚽高(gao)、與✨介質(zhì)物性參(can)數關系(xi)不緊密(mi)等優點(dian)。但對氣(qì)體的潔(jie)淨🆚程度(dù)要求較(jiao)高,使用(yong)中需要(yào)加裝過(guo)濾裝置(zhi),并需要(yao)經常清(qing)洗。
(2) 熱式(shì)氣體質(zhì)量流量(liàng)計 。該流(liu)量計是(shi)利用氣(qi)體傳熱(rè)性能與(yu)其質量(liàng)流量的(de)關系測(ce)🥰量流量(liàng),可測量(liàng)很.低的(de)流速,具(ju)有較寬(kuan)的測量(liàng)範❓圍,并(bìng)具有一(yī)定的抗(kang)✏️雜質能(néng)力,是近(jìn)年來發(fa)展很快(kuài)的❄️一-種(zhǒng)流量計(ji)。但由于(yu)其工作(zuò)原理的(de)局限性(xing)，易受氣(qi)體成分(fen)變化的(de)影響，因(yin)此隻适(shì)用于成(cheng)分比🚩較(jiao)穩定的(de)氣體流(liú)量測量(liàng)。.
(3) 渦輪氣(qì)體流量(liang)計 。該流(liú)量計是(shì)利用葉(ye)輪在氣(qi)體推動(dong)下的轉(zhuǎn)動來測(cè)量氣體(ti)的流👈量(liang),具有一(yi)定的抗(kàng)雜質能(neng)力,并且(qie)不受氣(qi)體成分(fèn)變化❤️的(de)影響。該(gai)種流量(liàng)計在國(guó)外使用(yòng)較🌍多,而(ér)國産渦(wo)輪流量(liàng)計由于(yú)其💯流量(liàng).下限較(jiao)高,因此(ci)很少在(zài)城市燃(ran)氣管網(wang)上使用(yong)。
　　國内生(shēng)産的氣(qi)體渦輪(lún)流量計(ji)技術指(zhi)标爲， 滿(mǎn)管式渦(wo)輪流量(liàng)計 的流(liú)速測量(liang)範圍爲(wèi)4~26m/s,精度爲(wèi)±1.5%;插人式(shì)渦輪流(liú)量計的(de)🏒流速㊙️測(ce)量範圍(wei)爲3~15m/s,精度(dù)爲±2.5%。
　　與國(guo)外同類(lei)産品相(xiang)比,國内(nei)産品在(zài)流速測(cè)量的下(xia)限這一(yī)指标上(shang)具有較(jiao)大的差(cha)距,而這(zhè)一指标(biao)在城💜市(shi)燃氣管(guǎn)網的流(liú)量測量(liàng)㊙️中極爲(wei)重要。
　　爲(wei)提高渦(wō)輪流量(liàng)計的量(liang)程比和(hé)擴展其(qi)測量下(xia)限,研制(zhi)出了一(yī)種寬量(liang)程、低流(liu)速氣體(ti)的渦輪(lun)流量計(ji)。這種🐕渦(wō)輪流量(liang)計的精(jīng)度在Qmin~0.2Qmax時(shi)爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時(shí)爲±1.5%,流速(sù)測量範(fàn)圍爲0.3~10m/s.這(zhè)種流量(liang)計爲🔞插(cha)人式結(jié)構,适用(yòng)于.φ100~200口徑(jìng)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管道(dào),并具有(yǒu)維護方(fāng)便的優(yōu)點✔️。
二、渦(wō)輪流量(liang)計工作(zuo)原理
　　渦(wō)輪流量(liàng)計 的工(gong)作原理(li)示意圖(tú)如圖1所(suǒ)示。在管(guǎn)道中心(xin)安放一(yi)個渦輪(lun),流體通(tōng)過時沖(chòng)擊渦輪(lun)葉片,對(duì)渦輪産(chǎn)生驅動(dong)力矩,使(shǐ)渦輪克(ke)服摩擦(ca)力矩和(he)流體阻(zu)力矩而(ér)産生旋(xuán)轉,其旋(xuan)轉角速(sù)度⁉️與流(liu)體💛流速(su)正🌈相關(guān)。由檢測(cè)探頭檢(jian)測出葉(ye)片轉動(dong)頻率,輸(shu)入流量(liang)顯示.積(jī)算儀👣得(de)到瞬時(shí)流量和(he)累計流(liú)量。
 
　　爲(wei)适應城(cheng)市燃氣(qi)管網的(de)流量測(cè)量要求(qiú),應盡量(liang)拓寬流(liu)🛀量測量(liang)的下限(xiàn),即盡量(liàng)降低渦(wō)輪流量(liàng)計的始(shi)動流量(liàng)qmin.建立了(le)一種渦(wō)輪流量(liang)計的理(lǐ).論模型(xing)。在流體(tǐ)處于定(ding)常流狀(zhuang)态時,渦(wō)輪在流(liú)體的驅(qū).動力矩(jǔ)T,作用下(xià)轉動，阻(zǔ)力矩包(bāo)括軸與(yu)軸💔承之(zhi)間摩擦(ca)産生的(de)機械摩(mo)擦阻力(li)矩Trm.渦輪(lún)與流體(tǐ)之間産(chan)生的流(liu)體阻✉️力(li)矩Trf,以及(ji)檢㊙️測探(tàn)頭對渦(wo)輪産生(shēng)的電磁(cí)阻力矩(ju)Tre,并應有(yǒu)以下平(píng)衡關系(xi):
 
　　由流體(tǐ)力學3可(ke)知,當流(liu)體的流(liu)動處于(yu)湍流狀(zhuang)态時🌂,流(liú)體産生(sheng)的摩擦(cā)力正比(bǐ)于流速(sù)的平方(fang);當流動(dòng)處于層(ceng)流狀态(tai)時,其摩(mó)☁️擦力正(zheng)比于流(liú)速,所以(yi)摩擦力(li)均正相(xiang)🏒關于流(liu)速。當渦(wō)輪剛啓(qi)動而處(chù)于始動(dong)流量附(fu)近時,顯(xiǎn)然Trf趨近(jin)于零。故(gù)在分析(xī)始動流(liú)量時可(kě)不.考慮(lü)流體摩(mó)擦産生(sheng)的阻力(lì)，而僅考(kao)慮機械(xiè)摩擦和(hé)電磁阻(zu)力即可(ke)。
三、渦輪(lun)的設計(ji)與研究(jiu)
　　渦輪流(liu)量計的(de)流量計(ji)算可采(cai)用式(2):
 
式(shì)中qv一瞬(shùn)時流量(liàng),m³/s;
F一渦輪(lún)葉片産(chan)生的信(xin)号頻率(lü),Hz;
K一儀表(biao)系數,1/m³'。
　　在(zai)渦輪的(de)設計方(fang)法中,首(shǒu)先要考(kao)慮的是(shì)盡量保(bǎo).證儀表(biao)系數📐的(de)線性度(du),然後才(cái)能用式(shi)(2)進行流(liu)量計算(suàn)⛹🏻‍♀️。爲了滿(man)足線性(xing)度的要(yao)求‼️,葉片(piàn)一般設(shè)計成按(an)圖1所示(shì)的螺旋(xuán)狀葉片(piàn)。在渦輪(lun)的研究(jiu)中,對🐉于(yu)流量計(jì)的信息(xī)處理采(cai)用了計(ji)算機技(ji)術,可以(yi)對儀表(biǎo)系數的(de)非線性(xìng)進行🔞實(shí)時修正(zheng)。這就給(gei)葉片結(jié)✌️構的設(she)計提⛷️供(gòng)了更廣(guang)闊的空(kong)間,即設(she)計時可(ke)以完全(quan)不考慮(lü)線性問(wen)題，而🔞隻(zhi)考慮能(néng)産生足(zú)夠大的(de)驅動力(li)矩和盡(jin)量㊙️小的(de)摩擦.力(lì)矩即可(kě)。
　　在經過(guò)系列研(yan)究和實(shi)驗之後(hòu),渦輪最(zui)終采用(yong)了由圖(tu)2所示的(de)結構。葉(ye)片類似(sì)于風扇(shan)葉片的(de)形狀,傾(qīng)角45°,由0.3mm厚(hou)的不鏽(xiu)鋼薄闆(pǎn)整體👅沖(chong)壓而成(chéng)，葉片數(shu)量爲20片(pian)。這種形(xing)狀的葉(ye)片雖然(ran)非線性(xing)較大,但(dan)重量相(xiang)對較輕(qing),這對于(yú)降低始(shǐ)動💚流量(liang)很有🌍好(hǎo)處,而其(qí)非線性(xìng)則可通(tōng)過單片(piàn)🏒機進行(háng)曲線拟(ni)合的方(fāng)法🈲予以(yi)修正。
 
　　由圖(tu)2可以看(kàn)出,這種(zhong)渦輪沒(méi)有采用(yòng)前後兩(liang)個:軸承(chéng)的結構(gòu),而是采(cǎi)用了單(dan)軸承式(shi)結構。軸(zhou)承采用(yòng)了進🐪口(kou)的微型(xing)滾動軸(zhóu)承。軸爲(wei)固定不(bú)動,單軸(zhóu)承安裝(zhuang)在⛷️軸的(de)中間，由(you)軸😘承套(tao)固定葉(yè)片。這種(zhǒng)結構不(bú)僅減少(shao)☀️了軸承(chéng)引人的(de)機械摩(mó)擦,而且(qiě)還克服(fú)了因前(qian)後軸☎️承(chéng)不同心(xīn)而産生(sheng)的阻力(li)。另外,這(zhè)種結構(gòu)也有利(li)于軸承(chéng)的防塵(chén),密閉性(xing)更好。
四(si)、檢測探(tàn)頭的研(yan)究
　　一般(ban)渦輪流(liu)量計采(cai)用内部(bu)嵌有永(yong)久磁鋼(gang)的線圈(quān)作爲檢(jian)測探頭(tóu)。葉片轉(zhuǎn)動時切(qie)割磁力(li)線産生(shēng)感生👨‍❤️‍👨電(diàn)勢🤟,該電(diàn)勢耦合(hé)到線圈(quān)✌️中，在線(xian)圈兩端(duān)可産生(shēng)相♋應的(de)周期性(xing)變化的(de)感應電(diàn)勢😘。當渦(wō)輪轉速(sù)很低時(shí),可以觀(guān)察♻️到它(ta)的轉動(dòng)不穩定(ding)⭐。當葉片(piàn)運🐪動到(dao)磁鋼附(fù)近時,會(hui)出🌐現一(yi)個減速(sù)甚至停(ting)頓的過(guò)程,這是(shi)由💘永久(jiǔ)磁鋼對(dui)😍葉🔱片的(de)吸引力(lì)即電磁(ci)阻力造(zao)成😍的,因(yin)💔而在研(yan)究渦輪(lún)的轉速(sù)特性時(shí),電磁阻(zu)力是一(yī)個必須(xū)予以重(zhòng)視的問(wèn)題。
　　檢測(ce)探頭内(nei)部嵌有(you)一個軟(ruan)磁性材(cai)料的線(xiàn)圈,其工(gōng)作🐉原理(lǐ)是以電(diàn)渦流爲(wei)基礎(5]。在(zài)線圈中(zhōng)通以高(gāo)頻激勵(li)信号,周(zhōu)圍産生(sheng)一👈個高(gao)頻交變(bian)磁場中(zhong)。當葉片(pian)處于這(zhè)-.磁場中(zhong)時,葉片(piàn)中就會(hui)産生電(dian)渦流。之(zhī)後,該電(diàn)渦流會(huì)産👉生一(yī)個阻礙(ai)高頻交(jiāo)變磁場(chǎng)中變化(hua)的磁場(chǎng),,進而作(zuo)用🚩在線(xian)圈上,對(dui)☁️高頻激(ji)勵信🌈号(hao)的幅度(du)與🔞頻率(lü)予以調(diao)制🔞。經信(xin)号處理(lǐ)電🈲路,可(ke)反映葉(yè)片的頻(pin)率.變化(huà)。
　　該檢測(cè)過程可(ke)等效爲(wei),将線圈(quan)和葉片(piàn)看作爲(wèi)--個電感(gan)L的原邊(biān)和次邊(biān),L由線圈(quan)的自感(gan)L小、葉片(piàn)的自感(gǎn)Lr以及它(tā)🆚們的互(hù)感M構成(cheng)0)。當葉片(piàn)離開線(xian)圈時,L中(zhōng)僅存在(zài)L;當葉片(pian)處于線(xian)🔴圈位置(zhi)時，由于(yu)互感M的(de)作用,感(gǎn)抗L是變(bian)化的,而(er)L作爲LC振(zhèn)蕩電路(lù)中的電(dian)感元件(jian),它的變(biàn)化将改(gai)變振蕩(dàng)電路信(xìn)号的幅(fu)度與頻(pin)率。
　　采用(yong)這一電(diàn)磁激勵(li)結構,由(you)于不産(chǎn)生電磁(cí)引力，因(yin)👌此不存(cún)在電磁(ci)阻力,即(ji)
Tre=0
五、非線(xiàn)性修正(zhèng)的研究(jiū)
　　如前所(suǒ)述,爲了(le)降低渦(wo)輪的始(shǐ)動流量(liang)qvmin,并降低(dī)儀表系(xì)數K較大(da)的非線(xian)性，如何(he)對非線(xiàn)性進行(háng)修正就(jiù)是一個(ge)需要解(jie)決的重(zhòng)要問題(tí)。
　　根據國(guó)家計量(liàng)檢定規(guī)程對速(su)度式流(liú)量計檢(jiǎn)定點的(de)規定”，檢(jiǎn)定點包(bāo)括7個點(diǎn)，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢(jian)定點的(de)數量是(shì)有限的(de)7個,而流(liú)量計在(zài)✊使用中(zhong),流量測(cè)量在qmin~qmax範(fan)圍内爲(wei)任意的(de)🚩。這樣,流(liú)🌈量計的(de)檢定點(dian)和非檢(jiǎn)定點就(jiù)會遠遠(yuǎn)超過7個(ge)💋。圖3給出(chu)了儀表(biǎo).系數✍️K與(yu)信号頻(pin)率F(或流(liu)量😍q)的典(dian)型非線(xiàn)性趨勢(shì)。
 
　　顯然(ran)不能再(zài)沿用平(ping)均儀表(biao)系數計(jì)算流量(liang)的方法(fǎ),而應該(gāi)用式(3)來(lái)計算在(zai)對應頻(pin)率信号(hao)F時的儀(yí)表系🌈數(shu)K,再用式(shi)🐇(2)計算流(liu)量。
K=f(F)(3)
　　該拟(ni)合公式(shì)的具體(ti)形式可(ke)用兩種(zhǒng)方法求(qiu)取,即折(she)線法和(he)最小二(èr)乘方法(fǎ)。
　　折線法(fǎ)是指将(jiāng)每兩個(ge)相鄰檢(jiǎn)定點用(yòng)直線相(xiàng)連接。顯(xiǎn)🔴然,在檢(jian)定點上(shang),其拟合(hé)誤差爲(wei)零,然而(ér)在非檢(jiǎn)定點.上(shàng)具有🧑🏽‍🤝‍🧑🏻較(jiào)大誤差(chà)。表1給出(chū)了一組(zǔ)典型的(de)折線法(fa)非線性(xing)修正拟(nǐ)合數據(ju)。
　　拟合誤(wu)差的計(jì)算公式(shì)8]爲:
 
　　從表(biǎo)1可見,在(zài)非檢定(ding)點處的(de)最大拟(nǐ)合誤差(chà)達到±1.65%。
　　最(zui)小二乘(chéng)方法得(de)到的是(shi)一條連(lián)續曲線(xiàn),其原則(ze)是使各(ge)檢定點(diǎn)到該曲(qǔ)線的誤(wu)差平方(fang)和爲最(zui)小。由于(yu)檢定點(diǎn)上得到(dao)的數據(ju)并非标(biāo)準值,其(qí)本身也(ye)具有一(yī)定的誤(wù)差,而且(qiě)實際使(shi)用的渦(wō)輪流量(liang)計K-F特性(xìng)曲💯線應(ying)該是連(lian)續的、平(ping)滑的,因(yin)此盡管(guǎn)在檢定(dìng)點處的(de)拟合誤(wù)差不一(yī)定等于(yu)零,但用(yong)最小二(er)乘方法(fa)得到的(de)連續曲(qu)線應🙇🏻該(gāi)能更好(hao)地反映(ying)K-F關系的(de)本質9]。表(biao)2給出了(le)用最小(xiao)二乘方(fāng)法得出(chu)的一組(zu)非線性(xing)修正拟(nǐ)合🔱誤差(chà)數據。
 
　　由(you)表2可見(jiàn),最大拟(ni)合誤差(cha)僅爲±0.15%,遠(yuan)優于折(she)線法的(de)拟🏃🏻‍♂️合誤(wu)差結果(guo)。
六.渦輪(lun)流量計(jì)的應用(yong)
　　儀表樣(yang)機于1998年(nian)在天然(rán)氣和煤(mei)制氣調(diào)壓站進(jìn)行了試(shi)驗運行(hang)。在試驗(yan)管道上(shang),均串聯(lián)美國德(de)菜塞儀(yi)器公司(si)的羅茨(cí)表氣體(tǐ)流量😄計(jì)(其精度(du)爲±1%)作爲(wèi)标準表(biǎo)進行了(le)♍比對。表(biao)3.表4分别(bié)給出了(le)天然氣(qi)和煤制(zhi)氣流量(liang)計試驗(yàn)數據.
 
　　從(cong)試驗結(jie)果可以(yi)看出,寬(kuan)量程氣(qì)體渦輪(lun)流量計(ji)的計量(liang)結果與(yǔ)價格昂(áng)貴的進(jìn)口羅茨(ci)式儀表(biǎo)的計量(liang)結果基(ji)本一緻(zhi)🐕,該流量(liang)計可以(yǐ)用于城(chéng)市燃氣(qi)管網的(de)流量計(ji)量。

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