渦輪流量計(以下(xià)簡稱流量計)是以(yǐ)流體動量矩原理(lǐ)爲基礎的流🥵量計(ji)量儀表。有些科技(jì)文獻又将其劃分(fèn)爲速度式儀表，因(yīn)🔞爲在一定的流量(liàng)範圍内，流量計的(de)轉動速度與流體(ti)的流速成比例關(guan)系。
　　渦輪流量計使(shi)用中的主要特點(diǎn)：體積小；重量輕；精(jing)度高(有的流量計(jì)可以當作計量标(biāo)準儀表)；反應時間(jian)快🏃🏻(有些🈲可達到毫(háo)秒級)；量程比寬(一(yi)般爲10∶1)；壓力損失小(xiao)；适用工作流體溫(wēn)度高；輸出爲脈沖(chòng)信号，故不👉易受到(dào)幹擾；可以長距離(li)傳輸，便于各種參(can)數處理。當它與多(duo)功能、多參數的🈲顯(xian)示儀表(以♻️下簡稱(chēng)儀表🤩)組合使用時(shi)🐆，可以同時對累積(ji)流量、瞬時流量或(huo)流體溫度、内♈部壓(ya)力等參數進行測(ce)量及分析、調節。
1 渦(wō)輪流量計的工作(zuo)過程
　　渦輪流量計(ji)通常由渦輪(機械(xiè)部分)、磁電轉換器(qì)、放大機構(電😘子部(bù)分)等組成。

　　當流(liu)體流經安裝在管(guǎn)道裏的渦輪，即流(liú)經渦輪葉片🔞與管(guan)道之間的間隙時(shi)，由于流體的沖擊(jī)作用，使⚽得渦輪圍(wéi)繞軸心發生旋轉(zhuǎn)。渦輪旋轉的轉數(shu)與介質流體的體(ti)積流量呈現近似(sì)的線性關系。再将(jiang)渦輪的旋轉通過(guo)磁電轉換器變換(huan)成相對應的電脈(mo)沖信号，以此脈沖(chong)信号經電子放大(dà)機構放大後，即🈲可(ke)輸送顯示🆚儀♻️表進(jìn)行多參數物理量(liang)的指示。
　　由前可知(zhi)，在測量範圍内，渦(wō)輪的轉速與流量(liàng)成正比，而信号的(de)脈沖數則與渦輪(lun)的轉速成正比。所(suo)以，檢測出信号脈(mò)沖總數以後，除以(yi)儀表常數ξ(次/升)，便(biàn)可計算😍得到該段(duàn)時間🌐内的介質流(liu)體總量 V(升)，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一(yī)例：流量計ξ爲 180 次/L，用(yòng)儀器測出在10,min 内儀(yí)表計算得的脈沖(chong)數爲♊ 7,200 次，則 10,min内管道(dao)中流過流體的總(zǒng)量爲：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
2 渦輪旋(xuán)轉的基本原理
　　渦(wō)輪流量計主要組(zu)件包括：導流體組(zǔ)件、渦輪組件、殼體(tǐ)、磁電🏃🏻‍♂️轉💔換器和放(fang)大機構等。通過對(duì)流體流過管道🔞及(ji)渦輪結構的分析(xī)，我們可以得出，當(dang)流體沿🔞管道的軸(zhou)線方向流動而沖(chòng)擊渦輪葉👅片時，便(biàn)有與㊙️流量 Q、密度φ和(hé)流速 V 的乘積成比(bi)例的力作用于葉(ye)片上，推動渦輪旋(xuan)轉。

　　如圖 2 所(suo)示，由于渦輪對流(liú)體是作相對運動(dòng)，如果渦🤞輪旋轉的(de)圓周速度 V＝w·r 與軸線(xiàn)平行的流速與葉(ye)片的🔴夾角爲θ，流通(tong)面積爲⛹🏻‍♀️ A，則介質流(liú)速 V＝Q/A，則推動渦輪旋(xuán)轉的力矩 M 可用下(xià)🌈式表示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中：K1——與流(liu)量計結構尺寸、流(liú)體質量、狀态有關(guān)的參數；r——平均半徑(jìng)，常取葉片寬度 1/2 到(dào)中心的距離。
由(2)式(shi)可知，力矩 M 除與流(liu)量 Q 有關外，與流體(ti)介質密度ρ、流動狀(zhuang)态💛與流向等多個(ge)因素有關。
　　在渦輪(lun)旋轉時，除推動渦(wo)輪旋轉的轉動力(lì)矩 M外，還👨‍❤️‍👨同時存在(zài)阻礙渦輪旋轉的(de)阻力矩，其中包括(kuo)：介質粘度對渦🧑🏾‍🤝‍🧑🏼輪(lun)摩擦引起的阻力(li)矩 M1，軸承摩擦引起(qǐ)的阻力矩🈲 M2，磁電轉(zhuan)換器引起的磁電(dian)反應㊙️阻力矩M3。根據(ju)動量矩守恒原理(lǐ)，渦輪的運動方程(cheng)式可以用以下函(han)數關系式💔表示：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式(shi)中：J——渦輪的轉動慣(guàn)量；dω/dt——渦輪的角加速(sù)度。
　　由(3)式可知，當 dω/dt 爲(wei)零時，渦輪以角速(su)度ω作勻速轉動；當(dang)流量發生變🥵化時(shi)，dω/dt≠0，渦輪将作加速旋(xuan)轉運動，經過一段(duan)時🍉間後，随着流量(liang)🐆的穩定，渦輪又會(hui)達到新的力矩平(ping)衡狀态，即 dω/dt 又等于(yú)💯零值。就是說，渦輪(lún)将以另一新的角(jiao)速度勻速旋🙇🏻轉，以(yi)适應新的流量，并(bing)出現了🥵新的穩定(ding)狀态。
　　通過分析和(he)計算可知，在 dω/dt＝0 時，渦(wo)輪轉動角速度ω與(yu)體積流量 Q 有如下(xià)式的近似關系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式(shì)中：a——與流量計結構(gou)參數、流體介質、流(liú)動狀态有關的系(xì)數🚶‍♀️；ξ——流量計轉換系(xi)數，當介質流量大(da)于某一數值時🙇🏻，在(zai)一段區間内可以(yi)近似看作爲一常(cháng)數，有時也稱爲儀(yi)表常數。
　　儀表常數(shu)ξ是流量計重要的(de)特性參數，由于流(liú)量計是通🏃‍♀️過磁電(diàn)轉換器将角速度(dù)ω 轉換成相應的脈(mo)沖數，因而我✔️們可(ke)以把ξ看成是單位(wei)體積流量 Q 通過流(liú)量計時，轉換器📧輸(shū)出的脈沖數(脈沖(chòng)數/升)，故也稱爲流(liu)量系數。流量計作(zuò)爲産品出廠時，生(sheng)産單位則是㊙️測取(qǔ)測量範圍内的轉(zhuǎn)換系數平均值作(zuò)爲儀表常✍️數，因而(er)可以認爲流體總(zǒng)量 V 與脈沖數 N 的關(guan)系，如(5)式所示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電(dian)轉換器的工作過(guo)程
磁電轉換器工(gōng)作時如圖 3 所示。
　　當(dang)流體通過渦輪葉(yè)片時，渦輪 5 将發生(shēng)旋轉運動，葉輪片(pian) 4 将周期🌂性切割磁(ci)鋼 1 而産生磁力線(xiàn) 3，從而改變🎯通過線(xiàn)圈 2 的磁通量，根據(jù)電磁感應原理，在(zai)線圈内将感應出(chu)脈動的電勢信号(hao)。不☁️難理解，脈動電(diàn)勢信号的頻率與(yǔ)渦輪旋轉的角速(su)度ω成正比，即與被(bèi)測介質的流量🌈 Q 成(chéng)正比。通過放大機(jī)構(電子部分)将上(shàng)述脈沖信号放大(da)到 1V 左右脈沖電壓(ya)，傳送給顯示儀表(biǎo)，即可顯示出被測(ce)介質的流量數據(jù)。

4 渦輪流量計顯(xiǎn)示儀表工作原理(lǐ)
　　根據我們對流量(liàng)計工作原理的分(fèn)析和探讨，得知流(liú)量📧計輸出的信号(hào)是電脈沖數，因此(ci)儀表就是将單位(wèi)♈時間👅的輸出脈沖(chong)和輸出脈沖的總(zong)數轉換成瞬時流(liu)量和流體總量，并(bìng)把以上數據進行(hang)分析後通過數字(zì)量顯示。因🔅而儀表(biǎo)的組成可以用圖(tu) 4 所示🔞的方框圖表(biao)🔞示：

4.1 瞬時流量(liang)指示
　　瞬時流量指(zhǐ)示的實質，就是對(dui)瞬時頻率、脈沖信(xìn)号的指示，是将信(xin)号處理後的頻率(lǜ)、脈沖線性地轉換(huan)成直流電信号而(er)指示相應的流量(liang)參數。如果是模拟(ni)儀表，标尺常以頻(pin)率(Hz)數值分度，指示(shi)的頻率值 f除以流(liu)量計儀表常數ξ就(jiu)能夠得到瞬時體(ti)積流量值🈲Q。如圖 5 所(suǒ)示的頻率瞬時指(zhǐ)示原理方框🔴圖。

　　經過整形後的(de)輸入頻率(脈沖)作(zuo)用于計算電路的(de)輸入端 T，使電路中(zhong)交替出現截止或(huò)導通兩種狀态👨‍❤️‍👨，放(fàng)大器輸🐆出端🔱脈沖(chong)☂️波形🈲被整形，與 T 的(de)波形相反，當💘放大(da)電路出現截止狀(zhuang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻态時，電源 E 通過外(wài)圍電路(或集成内(nei)部)在儲能電容 C 中(zhōng)預存電荷；當放大(dà)電路出現導通狀(zhuàng)态時，C 預存的電荷(he)通過外圍電路(或(huò)集成🛀内部)迅速釋(shi)🔴放。就這樣輸入的(de)頻率(脈沖)經過電(diàn)子電路改變爲與(yǔ)之相對應的電流(liú)信🚶‍♀️号。電路裏的電(diàn)🌂流指示儀表 4 即刻(ke)顯示該計量電流(liu)值🐕 I 的🌍多少，I＝q/T，而 q＝C·E，f＝1/T(q 爲一(yī)個脈沖周期電容(rong)所㊙️充電荷量；C 爲電(dian)容量；E 爲🎯電源電壓(yā)值；f 爲充放電頻率(lü))。合并三式可得到(dao)公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由公式(6)可知(zhi)，當電源電壓 E 和電(dian)容量 C 爲常數時，電(dian)流 I 與輸💛入脈🈚沖的(de)頻率 f 成正比，當更(geng)改外圍電路(或集(jí)成内部)儲存電荷(he)的電容 C(1～n)參數或連(lian)接方式以及改變(bian)電路數據時，就可(ke)以得到不同介質(zhi)的流量測量範圍(wei)。在有📧些流量計⛱️結(jié)構中，爲了便于檢(jian)查指示儀表是否(fou)工作正常，在放大(dà)器輸入端設置有(you)自檢電路裝置。它(tā)将振蕩器産生的(de)恒定頻率脈沖信(xin)号送👨‍❤️‍👨入後置電路(lù)，實現自動檢測工(gong)作正常與否的目(mù)的。
4.2 總量積算
　　前述(shu)我們介紹了流量(liang)計工作原理，通常(chang)還要計量在一定(dìng)時間❗範圍内，流量(liàng)計流過介質的體(tǐ)積或質量的累積(ji)量，因此顯示儀♌表(biao)具有累積計算功(gōng)能。下♈面我們根據(ju)流量計實際工況(kuàng)對一種累積值計(ji)算方法的實現進(jin)行分析。
圖 6 爲一種(zhǒng)應用除法方案進(jin)行累積計算的組(zǔ)成原理圖。

　　由圖(tu) 6 可知，此積算器構(gou)成中包括了整形(xing)、累積脈沖計數☂️、系(xì)統設🌐定、總量積算(suan)、軟件數據的控制(zhì)等。其 4 個✂️輸出🚶‍♀️端分(fèn)别與四層🧑🏾‍🤝‍🧑🏼波段開(kāi)關的各層相連，通(tōng)過軟㊙️件控制，組成(chéng)了系統設定器。根(gen)㊙️據流量計系數ξ的(de)值，可以在 0～9,999(其他參(can)數也可以)之間👨‍❤️‍👨任(rèn)意選擇設定系數(shù)。
　　由放大電路機構(gou)輸出的脈沖信号(hào)，經整形處理後，成(cheng)爲具有💯一🌂定幅值(zhí)和能滿足前沿要(yao)求的脈沖信号，将(jiāng)此信💋号轉入換算(suàn)電㊙️路機構，它每輸(shu)出一個脈沖信号(hào)便拖動計數電🤩路(lù)機構💁統計一個數(shu)碼參數，同時軟件(jian)功能即可識别紀(jì)錄🐕出一個數字量(liang)，表明🌂已經有一個(ge)單位介質體積的(de)流量流過流量計(ji)。此時換算電路單(dān)元輸出的信号直(zhi)接改變觸發穩态(tài)電路，使各計數參(cān)數值恢複到起始(shǐ)🤞的“零”狀态，重複此(ci)🆚過程即完成了累(lèi)積脈沖的積算，就(jiù)是對累積流量介(jie)質的🌈積算。
　　例如：口(kǒu)徑爲 80,mm 的流量計，流(liu)量系數ξ爲16.25 脈沖/升(sheng)，通過軟件☁️将系數(shù)💋設定分别置于 1、6、2、5，則(ze)每當計數器收到(dào) 1,625 個脈沖信号的瞬(shùn)時，軟件👅操作發出(chu)指令并輸出一個(gè)固🔞定頻率信号，使(shǐ)電路狀🐉态發生變(bian)化，使計數電路結(jié)🏃構統計一🈲個計量(liàng)單位，從而實現了(le)逢 K 進一的累計運(yùn)算，顯示儀表就能(neng)夠顯示出流體介(jie)質總量。
　　通過上例(lì)分析可知，如果流(liú)量計輸送到顯示(shì)儀表的脈沖總數(shù)爲 N，經換算後，送到(dào)總量積算器的脈(mo)沖數爲 Nc，則流體介(jiè)🌈質計量總量爲：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式(shi)中：K 爲設定系數，(K＝10m·ξ)；m 爲(wei)整數。
　　本除法方案(àn)設定系數的方式(shi)較爲簡單，穩定性(xing)比較好，電路容易(yì)實現，可以直接将(jiāng)流量系數ξ 輸入軟(ruǎn)件中，控制系數設(she)定器，積算器就可(kě)以逢 K 進一，顯示儀(yí)表指👄示出流✂️體介(jiè)質總量。
5 結束語
　　本(ben)文對渦輪流量計(ji)流量計和儀表的(de)工作原理進行🧡了(le)分析，總結了其工(gong)作過程。重點對參(cān)數設定方法、電路(lù)組成及作用🛀等進(jin)行了說明。文章對(dui)測量不同介質狀(zhuang)态下選擇流量計(ji)以及使用🈲方法和(hé)過程調試具有一(yī)定提示。

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