摘(zhai)要：介紹(shao)了一種(zhong)國産寬(kuan)量程氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji) 的工作(zuo)原理及(ji)渦輪的(de)設計思(si)想，闡述(shu)了零阻(zu)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(chu)了室内(nei)檢定㊙️和(he)工業現(xian)場的試(shi)驗數據(ju)。檢定結(jie)果表明(ming)，該流量(liang)計與進(jin)口設備(bei)的計量(liang)結果基(ji)本一緻(zhi)。目前這(zhe)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(shu)
　　近年來(lai),随着各(ge)行業對(dui)成本核(he)算、貿易(yi)往來、節(jie)約能源(yuan)、自動控(kong)制等工(gong)作的重(zhong)視,用戶(hu)對流量(liang)測量的(de)需求日(ri)💋益增多(duo),同時對(dui)流量計(ji)的測量(liang)精度、量(liang)程比、适(shi)用介，質(zhi)等技術(shu)指标提(ti)㊙️出了越(yue)來越高(gao)的要求(qiu)。由于城(cheng)市燃氣(qi)☂️管網遍(bian)布于整(zheng)個城🌍市(shi),考慮到(dao)供氣安(an)全、管道(dao)的沿程(cheng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓力損(sun)失等問(wen)題，管道(dao)中的介(jie)質(液化(hua)💔天然氣(qi)、煤制氣(qi))一般壓(ya)力較低(di)、流速不(bu)高,因此(ci)其流量(liang)測.量有(you)固有的(de)😍特殊性(xing)。另外,因(yin)爲用氣(qi)高峰和(he)低谷時(shi)的管道(dao)内流量(liang)❓差距非(fei)常大,所(suo)以需要(yao)一種量(liang)程寬、測(ce)量下限(xian)低的流(liu)量測量(liang)儀表。目(mu)前,國内(nei)㊙️外寬✨量(liang)程氣體(ti)流量計(ji)💁主要有(you)🚶‍♀️以下幾(ji)種。
(1) 腰輪(lun)式(羅茨(ci)式)氣體(ti)流量計(ji) .這是一(yi)種體積(ji)式測量(liang)儀表,具(ju)有測量(liang)下限低(di)、量程寬(kuan)、精✉️度高(gao)、與🌈介質(zhi)物性參(can)數關系(xi)不緊密(mi)等優點(dian)。但對氣(qi)體的潔(jie)淨程度(du)要求較(jiao)高,使用(yong)中需要(yao)加裝過(guo)濾裝置(zhi),并需要(yao)經常清(qing)洗。
(2) 熱式(shi)氣體質(zhi)量流量(liang)計 。該流(liu)量計是(shi)利用氣(qi)體傳熱(re)性能與(yu)其質量(liang)流量的(de)關系測(ce)量💘流量(liang),可測量(liang)很.低的(de)流速,具(ju)有較寬(kuan)的測量(liang)範圍,并(bing)具有一(yi)定🔆的抗(kang)雜質能(neng)力,是近(jin)年來發(fa)展很快(kuai)的📐一-種(zhong)流量計(ji)。但由于(yu)其工作(zuo)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(shi)用于成(cheng)分比較(jiao)穩定的(de)氣體流(liu)量測量(liang)。.
(3) 渦輪氣(qi)體流量(liang)計 。該流(liu)量計是(shi)利用葉(ye)輪在氣(qi)體推動(dong)下的轉(zhuan)動來測(ce)量🌍氣體(ti)的流量(liang),具有一(yi)定的抗(kang)雜質能(neng)力,并且(qie)不受氣(qi)體成分(fen)變化的(de)影響。該(gai)種流量(liang)計在國(guo)外使用(yong)較多,而(er)國産渦(wo)輪流量(liang)計由于(yu)其流量(liang).下限較(jiao)高,因此(ci)很少在(zai)城㊙️市燃(ran)氣管網(wang)上使用(yong)。
　　國内生(sheng)産的氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)技術指(zhi)标爲， 滿(man)管式渦(wo)輪流量(liang)計 的流(liu)速測量(liang)範圍爲(wei)4~26m/s,精度爲(wei)±1.5%;插人式(shi)渦輪流(liu)量計的(de)流速測(ce)量範圍(wei)爲3~15m/s,精度(du)爲±2.5%。
　　與國(guo)外同類(lei)産品相(xiang)比,國内(nei)産品在(zai)流速測(ce)量的下(xia)限這一(yi)指标上(shang)具有較(jiao)大的差(cha)距,而這(zhe)一指标(biao)在城市(shi)燃氣管(guan)網的流(liu)量測量(liang)中極爲(wei)重要。
　　爲(wei)提高渦(wo)輪流量(liang)計的量(liang)程比和(he)擴展其(qi)測量下(xia)限,研制(zhi)出了一(yi)種寬量(liang)程、低流(liu)速氣體(ti)的渦輪(lun)流量計(ji)🏃‍♀️。這種🔱渦(wo)輪😘流量(liang)計的精(jing)度在Qmin~0.2Qmax時(shi)爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時(shi)爲±1.5%,流速(su)測量範(fan)圍爲0.3~10m/s.這(zhe)種流💃🏻量(liang)計爲插(cha)人式結(jie)構,适用(yong)于.φ100~200口徑(jing)的管道(dao),并具有(you)維護方(fang)⭕便的優(you)點。
二、渦(wo)輪流量(liang)計工作(zuo)原理
　　渦(wo)輪流量(liang)計 的工(gong)作原理(li)示意圖(tu)如圖1所(suo)示。在管(guan)道中心(xin)安放一(yi)個渦輪(lun),流體🔞通(tong)過時沖(chong)擊渦輪(lun)葉片,對(dui)渦輪産(chan)生驅動(dong)力矩,使(shi)🤩渦輪🍓克(ke)服摩擦(ca)力矩和(he)流體阻(zu)力矩而(er)産生旋(xuan)轉,其旋(xuan)轉角速(su)度💜與流(liu)體流速(su)正🔴相關(guan)。由檢測(ce)探頭檢(jian)測出葉(ye)片轉動(dong)頻率,輸(shu)入流量(liang)顯示.積(ji)算儀😍得(de)到瞬時(shi)流👨‍❤️‍👨量和(he)累計流(liu)量。
 
　　爲(wei)适應城(cheng)市燃氣(qi)管網的(de)流量測(ce)量要求(qiu),應盡量(liang)拓💋寬♉流(liu)量測量(liang)的下限(xian),即盡量(liang)降低渦(wo)輪流量(liang)計的始(shi)動流量(liang)qmin.建立了(le)一種渦(wo)輪流量(liang)計的理(li).論模型(xing)。在流💚體(ti)處于定(ding)常流🤞狀(zhuang)态時,渦(wo)輪在🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流(liu)體的驅(qu).動力矩(ju)T,作用下(xia)轉動，阻(zu)力矩包(bao)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(lun)與流體(ti)之間産(chan)生的流(liu)體阻力(li)矩Trf,以及(ji)檢測🙇‍♀️探(tan)頭對渦(wo)輪産生(sheng)的電磁(ci)阻力矩(ju)Tre,并應有(you)以下平(ping)衡關系(xi):
 
　　由流體(ti)力學3可(ke)知,當流(liu)體的流(liu)動處于(yu)湍流狀(zhuang)态時,流(liu)體産生(sheng)的📞摩擦(ca)力正比(bi)于流速(su)的平方(fang);當流動(dong)處于層(ceng)流狀态(tai)時,其摩(mo)💛擦力💞正(zheng)比于流(liu)速,所以(yi)摩擦力(li)🧡均正相(xiang)關于流(liu)🌈速。當渦(wo)輪剛啓(qi)動而處(chu)于始動(dong)流量附(fu)近時,顯(xian)然Trf趨近(jin)于零。故(gu)在分析(xi)始動流(liu)🏃量時可(ke)不🌈.考慮(lü)流體摩(mo)擦産生(sheng)的阻💯力(li)，而僅考(kao)慮機械(xie)摩擦和(he)🥰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(shi)中qv一瞬(shun)時流量(liang),m³/s;
F一渦輪(lun)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(shou)先要考(kao)慮的是(shi)盡量保(bao).證儀📐表(biao)系數的(de)🔆線性度(du),然後才(cai)能用式(shi)(2)進行流(liu)量計算(suan)。爲了滿(man)足💃線性(xing)度的😄要(yao)求,葉片(pian)一般設(she)計成按(an)圖1所😘示(shi)的螺旋(xuan)狀葉片(pian)。在渦輪(lun)的研究(jiu)中,對于(yu)流量計(ji)的信息(xi)處理采(cai)用了計(ji)算機技(ji)術,可以(yi)對儀表(biao)系數的(de)非線性(xing)進行實(shi)時修正(zheng)。這就給(gei)葉片結(jie)構的設(she)計提供(gong)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(neng)産生足(zu)夠大的(de)驅動力(li)矩和盡(jin)量小的(de)摩擦.力(li)矩即可(ke)。
　　在經過(guo)系列研(yan)究和實(shi)驗之後(hou),渦輪最(zui)終采用(yong)了由圖(tu)2所示的(de)結構。葉(ye)片類似(si)于風扇(shan)葉片的(de)形狀,傾(qing)角45°,由0.3mm厚(hou)的不🙇🏻鏽(xiu)鋼薄闆(pan)整體沖(chong)壓而成(cheng)，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(yu)降低始(shi)動流量(liang)很有好(hao)處,而其(qi)非線性(xing)則可通(tong)過單片(pian)機進行(hang)曲線拟(ni)合的方(fang)法予以(yi)修正。
 
　　由圖(tu)2可以看(kan)出,這種(zhong)渦輪沒(mei)有采用(yong)前後兩(liang)個:軸承(cheng)⁉️的結🤟構(gou)🍓,而是🌈采(cai)用了單(dan)軸承式(shi)結構。軸(zhou)承采用(yong)了進✉️口(kou)的微型(xing)🐇滾動軸(zhou)承。軸爲(wei)🏒固定不(bu)動,單軸(zhou)承安裝(zhuang)在⭕軸的(de)中👨‍❤️‍👨間，由(you)軸承套(tao)固定葉(ye)片。這種(zhong)結🏃🏻‍♂️構不(bu)僅減少(shao)了軸承(cheng)引人的(de)機械摩(mo)擦,而且(qie)還克服(fu)了🐉因前(qian)後軸🐅承(cheng)不同心(xin)而✊産生(sheng)的阻力(li)。另外,這(zhe)種結🧑🏾‍🤝‍🧑🏼構(gou)也有利(li)于軸承(cheng)的防塵(chen),密💁閉性(xing)更好。
四(si)、檢測探(tan)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(quan)作爲檢(jian)測探頭(tou)。葉片轉(zhuan)動時切(qie)割磁力(li)線産生(sheng)感生電(dian)勢,該電(dian)勢耦合(he)到線圈(quan)中，在線(xian)圈兩端(duan)可産生(sheng)相應的(de)周期性(xing)變化的(de)感應電(dian)勢🍓。當渦(wo)輪轉速(su)很低時(shi),可以觀(guan)察到它(ta)的轉動(dong)不穩定(ding)。當葉片(pian)運動到(dao)磁鋼附(fu)近時,會(hui)出現一(yi)個減速(su)♻️甚至停(ting)頓的過(guo)程,這是(shi)由永久(jiu)磁鋼對(dui)🈲葉🌈片的(de)吸引力(li)即電磁(ci)阻力造(zao)成的,因(yin)🙇‍♀️而在研(yan)究🌈渦輪(lun)的轉速(su)特性時(shi),電磁阻(zu)力是一(yi)個必須(xu)予以重(zhong)視的問(wen)題✏️。
　　檢測(ce)探頭内(nei)部嵌有(you)一個軟(ruan)磁性材(cai)料的線(xian)圈,其工(gong)♈作原理(li)㊙️是以電(dian)渦流爲(wei)基礎(5]。在(zai)線圈中(zhong)通以高(gao)頻激勵(li)信🚶号,周(zhou)✌️圍産生(sheng)一個高(gao)頻交變(bian)磁場中(zhong)。當葉片(pian)處于這(zhe)-.磁場中(zhong)時,葉片(pian)中就會(hui)産生電(dian)渦流。之(zhi)後,該電(dian)渦流會(hui)産生一(yi)個阻‼️礙(ai)高頻交(jiao)變磁場(chang)中變化(hua)的磁場(chang),,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(li)電路,可(ke)反映葉(ye)片的頻(pin)🏃‍♂️率.變化(hua)。
　　該檢測(ce)過程可(ke)等效爲(wei),将線圈(quan)和葉片(pian)看作爲(wei)--個電感(gan)L的原邊(bian)和次邊(bian),L由線圈(quan)的自感(gan)L小、葉片(pian)的自感(gan)Lr以及它(ta)們的互(hu)感M構成(cheng)0)。當葉片(pian)離開線(xian)圈時,L中(zhong)僅存在(zai)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(gan)抗L是變(bian)化的,而(er)L作爲LC振(zhen)蕩👅電路(lu)中的電(dian)感元件(jian),它的變(bian)化将改(gai)變振蕩(dang)電路信(xin)号的幅(fu)度與頻(pin)率。
　　采用(yong)這一電(dian)磁激勵(li)結構,由(you)于不産(chan)生電磁(ci)引力，因(yin)此不存(cun)在🔞電磁(ci)阻力,即(ji)
Tre=0
五、非線(xian)性修正(zheng)的研究(jiu)
　　如前所(suo)述,爲了(le)降低渦(wo)輪的始(shi)動流量(liang)qvmin,并降低(di)儀表系(xi)數K較大(da)的非線(xian)性，如何(he)對非線(xian)性進行(hang)修正就(jiu)是一個(ge)需要🌈解(jie)決💃🏻的重(zhong)🏃🏻‍♂️要問題(ti)。
　　根據國(guo)家計量(liang)檢定規(gui)程對速(su)度式流(liu)量計檢(jian)定點的(de)規定”，檢(jian)定點包(bao)括7個點(dian)，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢(jian)定點的(de)數量是(shi)有限的(de)7個,而流(liu)量計在(zai)使用中(zhong),流量測(ce)量在qmin~qmax範(fan)圍内爲(wei)任意的(de)。這樣,流(liu)🔅量計的(de)檢定點(dian)和非檢(jian)定點就(jiu)會遠💚遠(yuan)超過7個(ge)。圖3給出(chu)了儀表(biao).系數K與(yu)信号頻(pin)💃🏻率F(或流(liu)量💃q)的典(dian)型非線(xian)性趨勢(shi)。
 
　　顯然(ran)不能再(zai)沿用平(ping)均儀表(biao)系數計(ji)算流量(liang)的方法(fa),而應該(gai)用式(3)來(lai)計算在(zai)對應頻(pin)率信号(hao)F時的儀(yi)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(shi)的具體(ti)形式可(ke)用兩種(zhong)方法求(qiu)取,即折(she)線❗法和(he)最小二(er)乘方法(fa)。
　　折線法(fa)是指将(jiang)每兩個(ge)相鄰檢(jian)定點用(yong)直線相(xiang)連接。顯(xian)然,在檢(jian)😄定點上(shang),其拟合(he)誤差爲(wei)零,然而(er)在非檢(jian)定點.上(shang)具有較(jiao)大誤差(cha)📱。表1給出(chu)了一組(zu)典型的(de)折線法(fa)非線性(xing)修正拟(ni)合數據(ju)。
　　拟合誤(wu)差的計(ji)算公式(shi)8]爲:
 
　　從表(biao)1可見,在(zai)非檢定(ding)點處的(de)最大拟(ni)合誤差(cha)達到±1.65%。
　　最(zui)小二乘(cheng)方法得(de)到的是(shi)一條連(lian)續曲線(xian),其原則(ze)是使各(ge)🛀檢定點(dian)🏃‍♀️到該曲(qu)線的誤(wu)差平方(fang)和爲最(zui)小。由于(yu)檢定點(dian)上得到(dao)的數據(ju)并非标(biao)準值,其(qi)本身也(ye)具有一(yi)定的誤(wu)差,而且(qie)實際使(shi)用的渦(wo)輪流量(liang)計K-F特性(xing)曲😄線應(ying)該是連(lian)續的、平(ping)滑的,因(yin)此盡管(guan)在檢定(ding)點處的(de)拟合誤(wu)差不🔞一(yi)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(gai)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(fang)法得🔆出(chu)的一組(zu)非線性(xing)修正拟(ni)合🌏誤差(cha)數據。
 
　　由(you)表2可見(jian),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(ji)的應用(yong)
　　儀表樣(yang)機于1998年(nian)在天然(ran)氣和煤(mei)制氣調(diao)壓站進(jin)行了試(shi)🔆驗運♌行(hang)。在試驗(yan)管道上(shang),均串聯(lian)美國德(de)菜塞儀(yi)器公司(si)🈚的羅茨(ci)表氣體(ti)流量計(ji)(其精度(du)爲±1%)作爲(wei)标準表(biao)進行了(le)比對。表(biao)📱3.表4分别(bie)給出了(le)天然氣(qi)和煤制(zhi)氣流量(liang)計試驗(yan)數據.
 
　　從(cong)試驗結(jie)果可以(yi)看出,寬(kuan)量程氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)的計量(liang)結果與(yu)⭐價格昂(ang)貴的進(jin)口羅茨(ci)式儀表(biao)的計量(liang)結果基(ji)本㊙️一緻(zhi)🐉,該流☂️量(liang)計可以(yi)用于城(cheng)市燃氣(qi)管網的(de)流量計(ji)量。

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