摘要：介紹(shao)了一種國産寬量(liàng)程氣體渦輪流量(liàng)計 的工作原理及(jí)渦輪的設計思想(xiǎng)，闡述了零阻力信(xìn)号檢測法和儀表(biao)系數的非線性修(xiū)正法,并給出了室(shi)内檢定💰和工業現(xiàn)場的試驗數據。檢(jiǎn)定結果表明，該流(liú)量💜計與進口設備(bèi)💰的計量結果基本(ben)一緻。目前🐪這種國(guo)産流量計已🐇開始(shi)投入實際應用。
一(yi)、流量計概述
　　近年(nián)來,随着各行業對(duì)成本核算、貿易往(wang)來、節約能源、自動(dong)🔴控制等工作的重(zhong)視,用戶對流量測(cè)量的需求日益增(zēng)多,同時對流量✏️計(ji)的測量精度、量程(chéng)比、适用介，質等技(ji)術㊙️指标提出了越(yuè)來越高的要求。由(you)于城市燃氣管網(wǎng)遍布于整個城市(shi),考慮到供氣安全(quán)、管道的沿程壓力(li)損失等問題，管道(dao)中的介質(液化天(tian)然氣、煤制氣❗)一般(ban)壓力較低、流速不(bú)高,因此其流量測(ce).量有固有的特殊(shū)性🔞。另外,因爲📧用氣(qi)高峰和低谷時的(de)管道内流量差距(ju)非常大,所以需要(yào)一種量程寬、測量(liang)下限低的流量測(cè)量儀表。目前,國内(nèi)外寬量程氣體流(liu)量計🔴主要有以下(xià)幾種。
(1) 腰輪式(羅茨(cí)式)氣體流量計 .這(zhe)是一種體積式測(ce)量儀表,具有測量(liang)下限低、量程寬、精(jing)度✔️高、與介質物性(xing)參數關系不緊密(mì)等優點。但對氣體(ti)的潔淨程度要求(qiú)較高,使用中需要(yao)加裝過濾裝置,并(bìng)需要經常清洗。
(2) 熱(re)式氣體質量流量(liàng)計 。該流量計是利(li)用氣體傳熱性能(néng)與其質量流量的(de)關系測♻️量流量,可(kě)測量很.低的流速(sù),具有較寬的測量(liang)範圍,并具有一定(ding)🌂的抗雜質能力,是(shi)近年來發展🔞很快(kuài)的一-種流量計。但(dàn)由于其工作原理(li)的局限性，易受氣(qi)體成分變化♈的影(yǐng)響，因✍️此隻适用于(yú)成分比🛀較穩定的(de)氣👌體流量測量。.
(3) 渦(wō)輪氣體流量計 。該(gai)流量計是利用葉(yè)輪在氣體推動下(xia)的轉動來測量氣(qi)體的流📱量,具有一(yī)定的抗雜質能力(li),并且不受氣體成(chéng)分變化的影響。該(gai)🆚種流量計在國外(wai)使用較多,而國産(chǎn)渦輪流量計由于(yú)其流量.下限較高(gāo),因此很少在城市(shi)燃氣管❌網上使用(yong)。
　　國内生産的氣體(tǐ)渦輪流量計技術(shu)指标爲， 滿管式渦(wo)輪流量計 的流速(sù)測量範圍爲4~26m/s,精度(dù)爲±1.5%;插人式渦輪流(liu)量計的流🔞速測量(liàng)🙇‍♀️範🤟圍爲3~15m/s,精度爲±2.5%。
　　與(yǔ)國外同類産品相(xiang)比,國内産品在流(liú)速測量的下限💔這(zhe)一指标上具有較(jiào)大的差距,而這一(yi)指标在城市燃氣(qì)管網的流量測量(liàng)🔞中極爲重要。
　　爲提(tí)高渦輪流量計的(de)量程比和擴展其(qí)測量下限,研制出(chū)了一種寬量程、低(di)流速氣體的渦輪(lún)流量計。這種渦輪(lún)流量計的精度在(zai)Qmin~0.2Qmax時爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時爲±1.5%,流速(su)測量範圍爲0.3~10m/s.這種(zhǒng)流量計爲插人式(shi)🤩結構,适☂️用于.φ100~200口徑(jing)的🏒管道,并具有維(wéi)護方⁉️便的優點。
二(er)、渦輪流量計工作(zuò)原理
　　渦輪流量計(ji) 的工作原理示意(yì)圖如圖1所示。在管(guan)道中心安放一個(ge)渦輪,流體通過時(shí)沖擊渦輪葉片,對(dui)渦輪産生驅動力(li)矩,使渦輪🧡克服🏃摩(mo)擦力矩和流體阻(zu)力矩而産生旋轉(zhuǎn),其旋轉角速度與(yǔ)流體🐕流速正相關(guan)。由檢測☀️探頭檢測(ce)出葉片轉動頻率(lü),輸🈲入流量顯示.積(ji)算儀得到瞬時流(liú)量和累計流量。
 
　　爲适(shi)應城市燃氣管網(wǎng)的流量測量要求(qiu),應盡量拓寬流量(liàng)測量的下限,即盡(jìn)量降低渦輪流量(liang)計的始動流量qmin.建(jiàn)立了一種渦輪流(liú)量計的理.論模型(xíng)。在流體處于💘定常(cháng)流狀态時,渦輪在(zài)流體的驅.動力矩(ju)T,作用下轉動🔆，阻力(li)矩包括軸與軸承(cheng)之間摩擦産生的(de)機械摩擦阻力矩(jǔ)Trm.渦輪與流體之間(jian)産生的流體阻🌍力(lì)矩Trf,以及檢測🧑🏽‍🤝‍🧑🏻探頭(tou)對渦輪産生的電(diàn)磁阻力矩Tre,并應有(yǒu)以下平衡關系:
 
　　由(you)流體力學3可知,當(dang)流體的流動處于(yú)湍流狀态時,流❄️體(ti)産☔生的摩擦力正(zhèng)比于流速的平方(fang);當流動處于層🔞流(liú)狀态時,其摩擦力(lì)正比于流速,所以(yi)摩擦力均正相關(guān)于流速。當渦輪剛(gang)啓動而處⛱️于始動(dong)流量附近時,顯然(rán)Trf趨近于零。故在分(fen)析始動流量時可(kě)不🥵.考慮流體摩擦(cā)産生的阻力，而僅(jin)考慮機械摩擦和(he)電磁阻力即👣可👨‍❤️‍👨。
三(sān)、渦輪的設計與研(yán)究
　　渦輪流量計的(de)流量計算可采用(yong)式(2):
 
式中qv一瞬時流(liú)量,m³/s;
F一渦輪葉片産(chan)生的信号頻率,Hz;
K一(yī)儀表系數,1/m³'。
　　在渦輪(lun)的設計方法中,首(shou)先要考慮的是盡(jin)量保.證儀表系數(shu)的線性度,然後才(cái)能用式(2)進行流量(liàng)計算。爲了滿足💃🏻線(xiàn)性度的要求,葉片(pian)一般設計成按圖(tu)1所示的螺旋狀葉(ye)片。在渦輪的研究(jiu)中,對🔱于流量計的(de)信息處理采用了(le)計算機技術,可以(yǐ)對儀表系數的非(fei)線性進行實時修(xiū)正。這就給葉片結(jie)🔴構的設計提供了(le)更廣闊的空間,即(jí)設計時可以完全(quán)不考慮線性問題(tí)，而隻考慮能産生(shēng)足夠大的驅動力(li)矩和盡量小的摩(mo)擦.力矩即可。
　　在經(jing)過系列研究和實(shí)驗之後,渦輪最終(zhōng)采用了由圖2所示(shi)的結構。葉片類似(sì)于風扇葉片的形(xing)狀,傾角45°,由0.3mm厚的不(bú)鏽鋼薄闆整體沖(chong)壓而成，葉片數量(liàng)爲20片。這種形狀的(de)葉片雖然非線性(xing)較大,但重量相對(dui)較❗輕,這對于降低(di)始動流量很有💁好(hǎo)處,而其非線性則(zé)可通過單片機進(jin)行曲線拟合的方(fāng)法💁予以修正。
 
　　由圖(tú)2可以看出,這種渦(wō)輪沒有采用前後(hou)兩個:軸承的結構(gou),而是⚽采用了單軸(zhou)承式結構。軸承采(cǎi)用了進口的微型(xing)滾動軸承。軸爲固(gù)定不動,單軸承安(an)裝在軸的中👌間，由(yóu)軸承套固定葉片(piàn)。這種結構不僅減(jian)少了軸承引人的(de)機械摩擦,而且還(hai)克服了因前後軸(zhóu)承不同心而⁉️産生(shēng)的阻力。另外,這種(zhǒng)結構也有利于⭐軸(zhóu)承的防塵,密閉性(xing)更好。
四、檢測探頭(tou)的研究
　　一般渦輪(lún)流量計采用内部(bu)嵌有永久磁鋼的(de)線圈作爲檢測探(tàn)頭。葉片轉動時切(qie)割磁力線産生感(gan)生電勢,該電😘勢耦(ou)☂️合到線圈中，在線(xiàn)圈兩端可産生相(xiàng)🚶應的周♍期性變化(huà)的感應電勢💚。當渦(wo)輪轉速很低時📱,可(kě)以觀察到它的轉(zhuan)動不穩定。當葉片(pian)運動到磁鋼附近(jìn)時,會出現一個減(jian)速甚至停頓的過(guo)程,這是由永久磁(cí)鋼對葉片的吸引(yin)力即電磁阻力造(zao)成的,因而在研究(jiū)渦輪的轉速特性(xing)時,電磁阻力是一(yi)個必須予以重視(shi)的問題。
　　檢測探頭(tóu)内部嵌有一個軟(ruǎn)磁性材料的線圈(quān),其工作原理是以(yǐ)電渦流爲基礎(5]。在(zai)線圈中通以高頻(pín)激勵信号,周🐆圍産(chan)生一個高🔞頻交變(biàn)磁場中。當葉片處(chù)于這-.磁場中時,葉(ye)片中‼️就會産生電(dian)渦🤞流。之後,該電渦(wo)流會産生一個阻(zǔ)礙高頻交變磁場(chang)中♈變化的磁場,,進(jin)而作用在線圈上(shang),對🚩高頻激勵信号(hào)的幅度與頻率予(yu)以調制。經信号處(chù)理電路,可反映葉(yè)片的頻率.變化。
　　該(gāi)檢測過程可等效(xiao)爲,将線圈和葉片(pian)看作爲--個電感❄️L的(de)原邊和次邊,L由線(xiàn)圈的自感L小、葉片(pian)的自感Lr以及它們(men)的互感M構成0)。當葉(yè)片離開線圈時,L中(zhong)僅存在L;當葉片🎯處(chu)于線👣圈位置時，由(yóu)于互感M的作用,感(gǎn)抗L是變化的,而L作(zuo)爲LC振蕩🔆電路中的(de)電感元件,它的變(biàn)化将改變振蕩電(diàn)路信号的幅度與(yu)頻率。
　　采用這一電(dian)磁激勵結構,由于(yu)不産生電磁引力(lì)，因此不存在電磁(cí)阻力,即
Tre=0
五、非線性(xìng)修正的研究
　　如前(qián)所述,爲了降低渦(wō)輪的始動流量qvmin,并(bing)降低儀表系數♋K較(jiào)大的非線性，如何(he)對非線性進行修(xiū)正就是♊一個需要(yào)解決的重要問題(ti)。
　　根據國家計量檢(jian)定規程對速度式(shi)流量計檢定點的(de)規定”，檢定點包括(kuò)7個點，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢定點(dian)的數量是有限的(de)7個,而流量計在⛷️使(shi)用🧑🏽‍🤝‍🧑🏻中,流量測量在(zài)qmin~qmax範圍内爲任意的(de)。這樣,流量計的檢(jian)定點♍和非檢定點(diǎn)就會遠遠超過7個(ge)。圖3給出了儀表.系(xi)數🈲K與信号頻率F(或(huo)流量q)的典型非線(xiàn)性趨勢。
 
　　顯然不能再(zài)沿用平均儀表系(xi)數計算流量的方(fāng)法🈲,而應該用✊式(3)來(lai)計算在對應頻率(lǜ)信号F時的儀表系(xi)😄數K,再用式(2)計算流(liu)量。
K=f(F)(3)
　　該拟合公式的(de)具體形式可用兩(liang)種方法求取,即折(she)線⛹🏻‍♀️法和最❄️小二乘(cheng)方法。
　　折線法是指(zhǐ)将每兩個相鄰檢(jiǎn)定點用直線相連(lian)接。顯然,在檢定點(dian)上,其拟合誤差爲(wei)零,然而在非檢定(dìng)點.上具有♌較大誤(wu)差。表1給💰出了一組(zu)典型的折線法🚩非(fei)線性修正拟合數(shu)據。
　　拟合誤差的計(ji)算公式8]爲:
 
　　從表1可(kě)見,在非檢定點處(chu)的最大拟合誤差(chà)達到±1.65%。
　　最小二乘方(fang)法得到的是一條(tiáo)連續曲線,其原則(zé)是使各♋檢📐定點到(dao)該曲線的誤差平(ping)方和爲最小。由于(yú)檢定點上得到⛱️的(de)數🔴據并非标準值(zhi),其本身也具有一(yi)定的🔞誤差,而且實(shí)際使用的渦輪流(liú)量計K-F特性曲線應(ying)該是☔連續的、平滑(huá)的,因此盡管在檢(jian)定點處的拟合誤(wù)差不❗一定等于零(ling)📐,但用最小二乘方(fāng)法得到📱的連續曲(qǔ)線應該能更好地(dì)反映K-F關系的本質(zhi)9]。表2給♊出了用最小(xiao)二乘方法得出的(de)一組非線性修正(zhèng)拟合誤差數據。
 
　　由(yóu)表2可見,最大拟合(he)誤差僅爲±0.15%,遠優于(yu)折線法的拟合♈誤(wu)差結果。
六.渦輪流(liú)量計的應用
　　儀表(biao)樣機于1998年在天然(rán)氣和煤制氣調壓(yā)站進行了試驗運(yun)行。在🏒試驗管道上(shang),均串聯美國德菜(cai)塞儀器公司的羅(luo)⭐茨表氣體流量計(jì)(其精度爲±1%)作爲标(biao)準表進行了比對(duì)。表🌏3.表4分别給出了(le)天然氣和煤制氣(qì)流量計試驗數據(jù).
 
　　從試驗結果可以(yi)看出,寬量程氣體(ti)渦輪流量計的計(ji)量結果與價格昂(ang)貴的進口羅茨式(shi)儀表的計量結果(guo)基本一緻,該流量(liàng)計可以用于城市(shì)燃氣管網的流量(liang)計量。

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