摘(zhāi)要：介紹(shao)了一種(zhong)國産寬(kuan)量程氣(qì)體渦輪(lún)流量計(ji) 的工作(zuo)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(fǎ)和儀表(biǎo)系數的(de)非線性(xìng)修正法(fǎ),并給出(chū)了室内(nèi)🔴檢定和(hé)工‼️業現(xiàn)♌場的試(shì)驗數據(jù)。檢定結(jié)果表明(ming)🚶‍♀️，該流量(liàng)計與進(jin)🏒口設備(bei)的計量(liàng)結果基(jī)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(yòng)。
一、流量(liàng)計概述(shu)
　　近年來(lái),随着各(ge)行業對(dui)成本核(hé)算、貿易(yì)往來、節(jiē)約能源(yuan)、自動控(kong)制等工(gong)作的重(zhong)視,用戶(hù)對流量(liàng)測量的(de)需求日(ri)益增多(duō),同時對(dui)流量計(jì)的測量(liàng)精度、量(liang)程比、适(shì)用介，質(zhi)等技術(shu)指标提(ti)☂️出了越(yuè)來越高(gao)的要求(qiú)。由于城(chéng)市燃氣(qì)管網遍(biàn)布于整(zhěng)個城市(shì),考慮到(dào)供氣安(ān)全、管道(dao)的沿程(cheng)壓力損(sǔn)失等問(wèn)題，管道(dào)中的介(jie)質(液化(huà)天然氣(qi)、煤制氣(qì))一般壓(yā)力較低(di)、流速不(bu)高,因此(ci)其流量(liàng)測.量有(you)🌂固有的(de)特殊性(xing)。另外,因(yin)爲用氣(qì)高峰和(he)低谷時(shí)的管道(dào)内流量(liang)😍差距非(fei)常大,所(suǒ)以需📱要(yao)一種量(liang)程寬、測(ce)量下限(xian)低的流(liú)量測量(liang)儀表。目(mù)前,國内(nèi)外寬量(liang)程氣體(tǐ)流量計(jì)主要有(you)以下幾(jǐ)種。
(1) 腰輪(lun)式(羅茨(ci)式)氣體(ti)流量計(jì) .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(kuan)㊙️、精🙇🏻度高(gao)、與介質(zhì)物性參(can)數關系(xì)不緊密(mì)等優點(diǎn)。但對氣(qi)體的潔(jie)淨✂️程度(du)💁要求較(jiào)高,使用(yòng)中需要(yào)加裝過(guo)濾裝置(zhì)☁️,并需要(yao)經常清(qīng)洗。
(2) 熱式(shi)氣體質(zhì)量流量(liang)計 。該流(liú)量計是(shi)利用氣(qì)體傳熱(re)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(jù)有較寬(kuān)的測量(liàng)範圍,并(bing)具有一(yi)定的抗(kàng)💁雜質能(néng)力,是近(jin)年來發(fā)展很快(kuai)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(qì)體成分(fèn)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(liàng)。.
(3) 渦輪氣(qì)體流量(liàng)計 。該流(liu)量計是(shì)利用葉(yè)輪在氣(qì)體推動(dong)下的轉(zhuǎn)動來測(cè)量氣體(ti)的流量(liàng),具有一(yi)定的抗(kàng)雜質能(néng)力,并且(qiě)不受氣(qì)體成分(fèn)變化的(de)影🈲響。該(gai)種流量(liàng)計在國(guó)外使用(yong)較多,而(ér)國産渦(wo)輪流量(liang)計由于(yu)其流量(liàng).下限較(jiao)高,因此(cǐ)很少在(zài)城市燃(rán)氣管🆚網(wǎng)上使用(yong)。
　　國内生(shēng)産的氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)技術指(zhi)标爲， 滿(mǎn)管式渦(wō)輪流量(liang)計 的流(liu)速測量(liang)範圍爲(wèi)4~26m/s,精度爲(wei)±1.5%;插人式(shì)渦輪流(liu)量計的(de)流💰速測(ce)量範圍(wéi)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(zai)流速測(cè)量的下(xia)限這一(yī)指标⚽上(shàng)具有較(jiao)大的差(chà)距,而這(zhe)一指标(biāo)在城市(shi)燃氣管(guan)🥰網的流(liú)量測量(liàng)❓中極爲(wèi)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(liú)速氣體(tǐ)的渦輪(lún)流量計(jì)。這種渦(wō)輪流量(liàng)🧡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(zhe)種流量(liàng)計爲♈插(chā)人式結(jié)構,适用(yòng)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(wō)輪流量(liàng)計工作(zuò)原理
　　渦(wo)輪流量(liàng)計 的工(gōng)作原理(li)示意圖(tú)如圖1所(suǒ)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(lún)葉片,對(dui)渦輪産(chan)生驅動(dòng)力☂️矩,使(shǐ)渦輪克(ke)服摩擦(ca)力矩和(hé)流體阻(zǔ)力矩而(er)産生旋(xuan)轉,其旋(xuan)轉角速(su)度與流(liu)體流速(sù)正相關(guān)。由檢測(ce)探頭檢(jian)測出葉(yè)片轉動(dong)頻率,輸(shū)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(cè)量要求(qiú),應盡量(liàng)拓寬流(liu)量測量(liàng)的下限(xiàn),即盡量(liàng)降低渦(wo)輪流量(liàng)計的始(shǐ)動流量(liang)qmin.建立了(le)一種🚶‍♀️渦(wō)輪流量(liàng)計的理(li).論模型(xíng)。在流體(tǐ)處于定(dìng)常流狀(zhuàng)态時,渦(wo)輪在流(liú)體的驅(qū).動力矩(jǔ)T,作🌂用下(xia)轉動，阻(zǔ)力矩包(bao)❤️括軸與(yu)軸承之(zhi)間摩擦(cā)産生的(de)機械摩(mó)擦阻力(lì)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(jí)檢測探(tàn)頭對渦(wō)輪産☎️生(shēng)的電磁(ci)阻力矩(jǔ)Tre,并應有(you)以下平(píng)衡關系(xì):
 
　　由流體(tǐ)力學3可(ke)知,當流(liu)體的流(liu)動處于(yú)湍流狀(zhuàng)态時,流(liú)體‼️産生(shēng)的摩擦(ca)力正比(bǐ)于流速(su)的平方(fang);當流動(dòng)處于層(céng)流狀态(tai)時,其摩(mó)擦力正(zheng)比于流(liu)速,所以(yǐ)摩擦力(li)💋均正相(xiang)關于流(liú)速。當渦(wo)輪剛啓(qǐ)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(liú)量時可(ke)不🌈.考慮(lǜ)流體摩(mo)擦産生(sheng)的阻力(lì)，而僅考(kǎo)慮機械(xiè)摩擦和(hé)電磁阻(zǔ)力即可(ke)。
三、渦輪(lun)的設計(ji)與研究(jiū)
　　渦輪流(liu)量計的(de)流量計(jì)算可采(cǎi)用式(2):
 
式(shi)中qv一瞬(shun)時流量(liang),m³/s;
F一渦輪(lún)葉片産(chan)生的信(xìn)号頻率(lü),Hz;
K一儀表(biao)系數,1/m³'。
　　在(zài)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(shì)(2)進行流(liú)量計算(suàn)。爲了滿(man)足線性(xìng)🐉度的要(yào)求,葉片(piàn)一般設(shè)計成按(an)圖1所示(shi)的螺旋(xuan)狀葉☁️片(piàn)。在渦輪(lun)的研💃🏻究(jiū)中,對于(yu)流量計(jì)的😍信息(xī)處理采(cǎi)用了計(ji)算機技(jì)術,可以(yǐ)對儀表(biao)系數的(de)非線性(xing)進行實(shí)時修正(zheng)。這就給(gěi)葉片結(jié)構的設(shè)計提💰供(gong)了更廣(guang)闊的空(kong)間,即設(she)計時可(kě)以完全(quán)不考✍️慮(lü)線性問(wèn)題，而隻(zhī)考慮能(néng)産生足(zú)夠大的(de)驅動力(li)矩和盡(jìn)♌量小的(de)摩擦.力(lì)矩即可(ke)。
　　在經過(guò)系列研(yán)究和實(shi)驗之後(hòu),渦輪最(zuì)終采用(yong)了由圖(tú)2所示的(de)結構。葉(yè)片類似(si)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(chòng)壓而成(cheng)，葉片數(shu)量爲20片(pian)。這種形(xíng)狀的葉(ye)片雖然(ran)非線性(xing)較大,但(dàn)重量相(xiàng)對較輕(qing),這對于(yú)降低始(shi)動流量(liàng)很有好(hǎo)處,而其(qi)非線性(xìng)則可通(tōng)過單片(piàn)機進行(hang)曲線拟(nǐ)合的方(fāng)法🔞予以(yǐ)修正。
 
　　由圖(tú)2可以看(kan)出,這種(zhong)渦輪沒(mei)有采用(yòng)前後兩(liang)個:軸承(cheng)的結構(gou),而是采(cǎi)用了單(dān)軸承式(shì)結構。軸(zhou)承采用(yong)了進🧑🏽‍🤝‍🧑🏻口(kou)的微型(xíng)💯滾動軸(zhóu)承。軸爲(wei)固定不(bu)動,單軸(zhou)承安裝(zhuāng)在軸的(de)中💞間，由(yóu)軸承套(tao)固🙇‍♀️定葉(yè)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(qiě)還克服(fu)了因前(qian)後軸承(chéng)不同心(xīn)而産生(sheng)的阻力(li)。另外,這(zhe)種結構(gòu)也有利(li)于軸承(chéng)的防塵(chén),密閉性(xìng)更好。
四(sì)、檢測探(tàn)頭的研(yán)究
　　一般(bān)渦輪流(liu)量計采(cai)用内部(bù)嵌有永(yǒng)久磁鋼(gang)的線圈(quān)作爲檢(jiǎn)測探頭(tou)。葉片轉(zhuan)動時切(qie)割磁力(lì)線産生(sheng)感生電(dian)勢,該電(diàn)👅勢耦合(he)到線圈(quan)中，在線(xiàn)圈兩端(duān)可産生(shēng)相應的(de)周期性(xìng)變化的(de)感應電(dian)勢。當渦(wō)輪轉速(sù)很低時(shí),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(guò)程,這是(shi)由永久(jiu)磁鋼對(duì)葉片的(de)吸引力(lì)即電磁(cí)阻力造(zào)成的,因(yīn)❤️而在研(yán)究渦輪(lun)的轉速(sù)特性時(shí),電磁阻(zu)力是一(yī)個必須(xū)㊙️予以重(zhong)視的問(wèn)題📐。
　　檢測(ce)探頭内(nèi)部嵌有(yǒu)一個軟(ruǎn)磁性材(cai)料的線(xiàn)圈,其工(gōng)😄作原理(lǐ)✨是🐆以電(dian)渦流爲(wei)基礎(5]。在(zai)線圈中(zhōng)通以高(gao)頻激勵(li)信号,周(zhou)圍産🈚生(shēng)一個高(gao)♈頻交變(biàn)磁場中(zhong)。當葉片(pian)處于這(zhe)-.磁場中(zhong)時,葉片(pian)中就會(huì)産生電(dian)渦流。之(zhī)後,該電(diàn)渦流會(huì)産生一(yi)個阻礙(ài)高頻交(jiāo)變磁場(chang)中變化(hua)的磁場(chang),,進而作(zuò)用在線(xiàn)圈上,對(duì)高頻激(ji)勵信号(hao)的幅度(du)與頻率(lǜ)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(huà)。
　　該檢測(cè)過程可(ke)等效爲(wei),将線圈(quān)和葉片(piàn)看作爲(wèi)--個電感(gǎn)L的原邊(bian)🙇🏻和🧑🏽‍🤝‍🧑🏻次邊(bian),L由線圈(quān)的自感(gǎn)L小、葉片(piàn)的自感(gǎn)Lr以及它(ta)們的互(hù)感M構成(chéng)0)。當葉片(pian)離開線(xian)圈時,L中(zhōng)僅存在(zai)💞L;當葉片(piàn)㊙️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(zhen)蕩電路(lù)中的電(diàn)感元件(jiàn),它的變(bian)化将改(gǎi)變振蕩(dang)✌️電路信(xin)号的幅(fú)度與頻(pín)率。
　　采用(yòng)這一電(diàn)磁激勵(li)結構,由(yóu)于不産(chan)生電磁(cí)引力，因(yīn)🈲此不存(cun)🔞在電磁(cí)阻力,即(ji)
Tre=0
五、非線(xiàn)性修正(zhèng)的研究(jiu)
　　如前所(suo)述,爲了(le)降低渦(wō)輪的始(shǐ)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(jiě)決的重(zhong)要問題(tí)。
　　根據國(guó)家計量(liàng)檢定規(gui)程對速(su)度式流(liú)量計檢(jiǎn)定點的(de)規定”，檢(jiǎn)定💋點包(bao)括7個點(dian)，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢(jiǎn)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(cè)量在qmin~qmax範(fàn)圍内爲(wèi)任意的(de)🈲。這樣,流(liu)♊量計的(de)🌈檢定點(dian)和非檢(jiǎn)❄️定點就(jiu)會遠遠(yuǎn)超過7個(gè)。圖3給出(chū)了💜儀表(biao).系數K與(yǔ)信号頻(pin)⭐率F(或流(liu)量q)的典(diǎn)型非線(xian)👉性趨勢(shì)。
 
　　顯然(rán)不能再(zai)沿用平(píng)均儀表(biao)系數計(ji)算流量(liàng)的方法(fa),而應該(gāi)用式(3)來(lái)計算在(zài)對應頻(pín)率信号(hào)F時的儀(yí)表系數(shu)K,再用式(shì)(2)計算流(liú)量。
K=f(F)(3)
　　該拟(nǐ)合公式(shì)的具體(ti)形式可(ke)用兩種(zhong)方法求(qiu)取,即折(shé)線法♌和(hé)最小二(èr)乘方法(fǎ)。
　　折線法(fǎ)是指将(jiang)每兩個(gè)相鄰檢(jian)定點用(yong)直線相(xiang)連接。顯(xiǎn)然,在檢(jian)😘定🚶‍♀️點上(shàng),其拟合(hé)誤差爲(wèi)零,然而(er)在非檢(jiǎn)定點.上(shang)具有較(jiào)大誤差(cha)。表1給出(chū)了一組(zu)典型的(de)折線法(fa)💜非線性(xìng)修正拟(ni)合數據(ju)。
　　拟合誤(wu)差的計(ji)算公式(shi)8]爲:
 
　　從表(biǎo)1可見,在(zai)非檢定(dìng)點處的(de)最大拟(ni)合誤差(chà)達到±1.65%。
　　最(zui)小二乘(chéng)方法得(dé)到的是(shi)一條連(lian)續曲線(xian),其原則(ze)是使各(ge)檢定點(diǎn)到該曲(qu)線的誤(wù)差平方(fāng)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(qi)本身也(ye)具有♻️一(yī)定的誤(wù)差,而☔且(qiě)實際使(shi)用的渦(wo)輪流量(liang)計K-F特性(xìng)曲線應(yīng)該是連(lian)續的、平(píng)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(yòng)最小二(er)乘方法(fa)得到的(de)連續曲(qǔ)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(nǐ)合誤差(chà)僅爲±0.15%,遠(yuǎn)優于折(shé)線法的(de)拟合誤(wu)差結果(guǒ)。
六.渦輪(lún)流量計(jì)的應用(yòng)
　　儀表樣(yang)機于1998年(nián)在天然(rán)氣和煤(mei)制氣調(diao)壓站進(jin)行了試(shì)驗運行(hang)。在試驗(yàn)管道上(shàng),均串聯(lián)美國德(dé)菜塞儀(yí)器🚩公司(si)的羅茨(cí)表氣體(ti)流量計(ji)(其精度(dù)爲±1%)作爲(wei)标準表(biao)📱進行了(le)比對。表(biǎo)3.表4分别(bie)❤️給出了(le)天然氣(qi)和煤制(zhì)氣流🔴量(liang)計試驗(yan)數據.
 
　　從(cóng)試驗結(jie)果可以(yǐ)看出,寬(kuan)量程氣(qì)體渦輪(lun)流量計(ji)的計量(liàng)結果與(yǔ)價格昂(ang)貴的進(jin)口羅茨(cí)式儀表(biao)的計量(liang)結果基(ji)本✏️一緻(zhì),該流量(liàng)計可以(yi)用于城(chéng)市燃氣(qi)管網的(de)流量🛀🏻計(ji)量。

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