摘要：介(jie)紹了一種(zhong)國産寬量(liang)程氣體渦(wo)輪流量計(ji) 的工作原(yuan)理及渦輪(lun)的設計思(si)想，闡述了(le)零阻力信(xin)号檢測法(fa)和儀表系(xi)數的非線(xian)性修正法(fa),并給出了(le)💚室内檢定(ding)和工業現(xian)場的試驗(yan)數據。檢定(ding)結果表明(ming)，該流量計(ji)與進口設(she)備的計量(liang)結果基本(ben)一緻。目前(qian)這種國産(chan)流量計已(yi)開始投入(ru)實際應用(yong)。
一、流量計(ji)概述
　　近年(nian)來,随着各(ge)行業對成(cheng)本核算、貿(mao)易往來、節(jie)約能源、自(zi)動控✨制🌈等(deng)工作的重(zhong)視,用戶對(dui)流量測量(liang)的需求日(ri)💰益增多,同(tong)㊙️時對流量(liang)🛀🏻計的測量(liang)精度、量程(cheng)比、适用介(jie)，質等技術(shu)指标提出(chu)了越來越(yue)高的要求(qiu)。由于城市(shi)燃氣管網(wang)遍布于整(zheng)個城市,考(kao)慮到♌供氣(qi)安全、管道(dao)的沿程壓(ya)力損失等(deng)問題，管道(dao)中的介質(zhi)(液化☁️天然(ran)氣、煤制氣(qi)🐪)一般壓力(li)較低🍉、流速(su)不高,因此(ci)其流量測(ce).量有固有(you)的特殊性(xing)💯。另外,因爲(wei)用氣高峰(feng)和低谷時(shi)的管道内(nei)流量😄差距(ju)非常大,所(suo)以需要一(yi)種量⭐程寬(kuan)、測量下限(xian)低的流量(liang)測量💜儀表(biao)。目前,國内(nei)外寬✊量程(cheng)氣體流量(liang)計✂️主要有(you)以下幾種(zhong)。
(1) 腰輪式(羅(luo)茨式)氣體(ti)流量計 .這(zhe)是一種體(ti)積式測量(liang)儀表,具有(you)測量下限(xian)低、量程寬(kuan)、精度👣高🐆、與(yu)介質物性(xing)參數關系(xi)不緊密等(deng)優點。但對(dui)氣體的潔(jie)淨程度要(yao)求較高,使(shi)用中需要(yao)加裝過濾(lü)裝置🔞,并需(xu)要經常清(qing)洗。
(2) 熱式氣(qi)體質量流(liu)量計 。該流(liu)量計是利(li)用氣體傳(chuan)熱性能與(yu)其質量流(liu)量的關系(xi)測量💞流📧量(liang),可測量很(hen).低的流速(su),具有較寬(kuan)的測量範(fan)圍,并具有(you)一定的抗(kang)雜質能力(li),是近年來(lai)發展很快(kuai)的一-種流(liu)量計。但🌈由(you)于其工作(zuo)原🔅理的局(ju)限性，易受(shou)氣體✊成分(fen)變化的影(ying)響，因此隻(zhi)适用于成(cheng)分比較穩(wen)定的氣體(ti)流量測量(liang)。.
(3) 渦輪氣體(ti)流量計 。該(gai)流量計是(shi)利用葉輪(lun)在氣體推(tui)動下的轉(zhuan)動來測量(liang)氣🏃‍♀️體的流(liu)量,具有一(yi)定的抗雜(za)質能力,并(bing)且不受氣(qi)體成分變(bian)化的影㊙️響(xiang)。該種流量(liang)計在國外(wai)使用較多(duo),而國産渦(wo)輪流量計(ji)由于其流(liu)量.下🐆限較(jiao)高,因此很(hen)少在城市(shi)燃氣管網(wang)上使用。
　　國(guo)内生産的(de)氣體渦輪(lun)流量計技(ji)術指标爲(wei)， 滿管式渦(wo)輪流量計(ji) 的流速測(ce)量範圍爲(wei)4~26m/s,精度爲±1.5%;插(cha)人式渦輪(lun)流量計的(de)流速測量(liang)範圍爲3~15m/s,精(jing)度爲±2.5%。
　　與國(guo)外同類産(chan)品相比,國(guo)内産品在(zai)流速測量(liang)的下限這(zhe)🏒一指标上(shang)具有較大(da)的差距,而(er)這一指标(biao)在城市燃(ran)氣管網的(de)流量測量(liang)中極爲重(zhong)要。
　　爲提高(gao)渦輪流量(liang)計的量程(cheng)比和擴展(zhan)其測量下(xia)限,研制出(chu)了一種寬(kuan)量程、低流(liu)速氣體的(de)渦輪流量(liang)計。這種渦(wo)輪👉流量計(ji)的精度在(zai)Qmin~0.2Qmax時爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時(shi)爲±1.5%,流速測(ce)量💰範圍爲(wei)0.3~10m/s.這種流👈量(liang)計爲插人(ren)式結構,适(shi)用于.φ100~200口徑(jing)的管道,并(bing)具有維護(hu)方便的優(you)點㊙️。
二、渦輪(lun)流量計工(gong)作原理
　　渦(wo)輪流量計(ji) 的工作原(yuan)理示意圖(tu)如圖1所示(shi)。在管道中(zhong)心安放一(yi)個🏃‍♂️渦輪,流(liu)體通過時(shi)沖擊渦輪(lun)葉片,對渦(wo)輪産生驅(qu)動力矩,使(shi)渦輪克服(fu)♈摩擦力矩(ju)和流體阻(zu)力矩而産(chan)生旋轉,其(qi)旋轉🧡角速(su)度與流體(ti)流速正相(xiang)關。由檢測(ce)探頭檢測(ce)出葉片轉(zhuan)動頻率,輸(shu)入流量顯(xian)示.積算儀(yi)🙇‍♀️得到瞬時(shi)流量和累(lei)計流量。
 
　　爲适應城(cheng)市燃氣管(guan)網的流量(liang)測量要求(qiu),應盡量拓(tuo)🌍寬流量🏃🏻‍♂️測(ce)✉️量✔️的下限(xian),即盡量降(jiang)低渦輪流(liu)量計的始(shi)動流量qmin.建(jian)立了一種(zhong)渦輪流量(liang)計的理.論(lun)模型。在流(liu)體處于定(ding)常流狀态(tai)時,渦輪在(zai)流體的驅(qu).動力矩T,作(zuo)用下轉動(dong)，阻力矩包(bao)括軸與軸(zhou)承之間摩(mo)擦産生的(de)機械摩擦(ca)阻力矩Trm.渦(wo)輪與流體(ti)之間産🔴生(sheng)的流體阻(zu)力矩Trf,以及(ji)檢🏃測探頭(tou)對渦輪産(chan)生的電磁(ci)阻力矩Tre,并(bing)應有以下(xia)平衡關🈲系(xi):
 
　　由流體力(li)學3可知,當(dang)流體的流(liu)動處于湍(tuan)流狀态時(shi),流體産⛱️生(sheng)⭐的摩擦力(li)正比于流(liu)速的平方(fang);當流動處(chu)于層㊙️流狀(zhuang)态時👄,其摩(mo)擦力正比(bi)于流速,所(suo)以摩擦力(li)均正相‼️關(guan)于流♍速。當(dang)渦輪剛啓(qi)動而處于(yu)始動流量(liang)☀️附近時,顯(xian)然Trf趨近于(yu)㊙️零。故在分(fen)析始動流(liu)👨‍❤️‍👨量時可不(bu).考慮流體(ti)摩擦産生(sheng)的阻力，而(er)僅考慮機(ji)械摩擦和(he)電磁阻力(li)即可。
三、渦(wo)輪的設計(ji)與研究
　　渦(wo)輪流量計(ji)的流量計(ji)算可采用(yong)式(2):
 
式中qv一(yi)瞬時流量(liang),m³/s;
F一渦輪葉(ye)片産生的(de)信号頻率(lü),Hz;
K一儀表系(xi)數,1/m³'。
　　在渦輪(lun)的設計方(fang)法中,首先(xian)要考慮的(de)是盡量保(bao).證儀💋表♋系(xi)數的線性(xing)度,然後才(cai)能用式(2)進(jin)行流量計(ji)算。爲了滿(man)足⛷️線性度(du)的🐕要求,葉(ye)片一般設(she)計成按圖(tu)1所示的螺(luo)旋狀葉片(pian)。在渦輪的(de)研究中,對(dui)于流量計(ji)的信息處(chu)理采用了(le)計算機技(ji)術,可以對(dui)儀表系數(shu)的非線性(xing)進行實時(shi)修正。這就(jiu)給葉片結(jie)構的設計(ji)提供了更(geng)廣闊的空(kong)間,即設計(ji)時可以完(wan)全不考慮(lü)線🚶‍♀️性問題(ti)，而隻考慮(lü)能産生足(zu)夠大的驅(qu)動力矩和(he)盡量小的(de)摩擦.力矩(ju)即可。
　　在經(jing)過系列研(yan)究和實驗(yan)之後,渦輪(lun)最終采用(yong)了由圖2所(suo)示的⛱️結構(gou)。葉片類似(si)于風扇葉(ye)片的形狀(zhuang),傾角45°,由0.3mm厚(hou)的不鏽鋼(gang)薄闆整體(ti)沖壓而成(cheng)，葉片數量(liang)爲20片。這種(zhong)形💜狀的葉(ye)片雖然✏️非(fei)線性🔞較大(da),但重量相(xiang)對較輕,這(zhe)對于降低(di)始動🐇流量(liang)很有好處(chu),而其♍非線(xian)性則可通(tong)過單片機(ji)進行曲線(xian)拟合的方(fang)法予以修(xiu)正。
 
　　由(you)圖2可以看(kan)出,這種渦(wo)輪沒有采(cai)用前後兩(liang)個:軸承的(de)結構,而是(shi)采用了單(dan)軸承式結(jie)構。軸承采(cai)用了進🤩口(kou)的微型滾(gun)動軸承。軸(zhou)爲固定不(bu)動,單軸承(cheng)安裝在軸(zhou)的中間，由(you)軸承套固(gu)定葉片。這(zhe)種結構不(bu)僅減少了(le)軸承引❗人(ren)的機械摩(mo)擦,而且還(hai)克服了因(yin)前後軸承(cheng)不同心而(er)産生的阻(zu)力。另外,這(zhe)種結構也(ye)有利于軸(zhou)承的防塵(chen),密閉性更(geng)好。
四、檢測(ce)探頭的研(yan)究
　　一般渦(wo)輪流量計(ji)采用内部(bu)嵌有永久(jiu)磁鋼的線(xian)圈作♋爲🥰檢(jian)測探頭。葉(ye)片轉動時(shi)切割磁力(li)線産生感(gan)生電勢,該(gai)電勢耦合(he)到線圈中(zhong)，在線圈兩(liang)端可産生(sheng)相應的周(zhou)期性變化(hua)的感應電(dian)勢。當渦輪(lun)🔞轉速很低(di)時💯,可以觀(guan)察到它的(de)轉動不穩(wen)定。當葉片(pian)運動到磁(ci)鋼附近時(shi),會出現一(yi)個減速甚(shen)至停頓的(de)過程,這是(shi)由🛀🏻永久磁(ci)鋼對葉片(pian)的吸引力(li)即電磁阻(zu)力造成的(de),因而在研(yan)究渦輪的(de)轉速特性(xing)時,電磁阻(zu)力是一個(ge)必須予以(yi)重視的問(wen)題。
　　檢測探(tan)頭内部嵌(qian)有一個軟(ruan)磁性材料(liao)的線圈,其(qi)工作🌏原理(li)是以🈲電渦(wo)流爲基礎(chu)(5]。在線圈中(zhong)通以高頻(pin)激勵信号(hao),周圍産生(sheng)一個高頻(pin)交變磁場(chang)中。當葉片(pian)處于這-.磁(ci)💯場中時,葉(ye)片中就會(hui)産生電渦(wo)流。之後,該(gai)電渦流會(hui)産生一個(ge)阻礙高頻(pin)交變磁場(chang)中變化的(de)磁場,,進而(er)作用在線(xian)圈上,對高(gao)頻激勵信(xin)号的幅度(du)與頻率予(yu)以調制😘。經(jing)信号處理(li)電🤩路,可反(fan)映葉片的(de)頻率.變化(hua)。
　　該檢測過(guo)程可等效(xiao)爲,将線圈(quan)和葉片看(kan)作爲--個電(dian)感L的原邊(bian)和次邊,L由(you)線圈的自(zi)感L小、葉片(pian)的自感Lr以(yi)及它📱們的(de)互感M構成(cheng)0)。當葉♍片離(li)開線圈時(shi),L中僅存在(zai)L;當葉片處(chu)于線圈位(wei)置時，由于(yu)互感M的作(zuo)用,感抗L是(shi)變化的,而(er)L作爲LC振蕩(dang)🤩電路中的(de)電感元件(jian),它的變化(hua)将改變振(zhen)蕩電路信(xin)号的幅度(du)與頻率。
　　采(cai)用這一電(dian)磁激勵結(jie)構,由于不(bu)産生電磁(ci)引力，因此(ci)不存在👌電(dian)磁阻力,即(ji)
Tre=0
五、非線性(xing)修正的研(yan)究
　　如前所(suo)述,爲了降(jiang)低渦輪的(de)始動流量(liang)qvmin,并降低儀(yi)表系數K較(jiao)大的非線(xian)性，如何對(dui)非線性進(jin)行修正就(jiu)是一個需(xu)要解決的(de)重要問題(ti)。
　　根據國家(jia)計量檢定(ding)規程對速(su)度式流量(liang)計檢定點(dian)的規定”，檢(jian)定點包括(kuo)7個點，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和(he)qmar檢定點的(de)數量是有(you)限的7個,而(er)流量計在(zai)使用中,流(liu)量測量在(zai)qmin~qmax範圍内爲(wei)🤞任意的♋。這(zhe)樣,流✊量計(ji)的檢定點(dian)和非檢定(ding)點就會遠(yuan)遠超過7個(ge)。圖3給出了(le)儀表.系數(shu)K與信号頻(pin)率F(或流量(liang)😘q)的典型非(fei)線🔆性趨勢(shi)。
 
　　顯然不(bu)能再沿用(yong)平均儀表(biao)系數計算(suan)流量的方(fang)法,而應☔該(gai)用式😄(3)來計(ji)算在對應(ying)頻率信号(hao)F時的儀表(biao)系數K,再用(yong)式㊙️(2)計算💋流(liu)量。
K=f(F)(3)
　　該拟合(he)公式的具(ju)體形式可(ke)用兩種方(fang)法求取,即(ji)折線🚩法和(he)最❗小二乘(cheng)方法。
　　折線(xian)法是指将(jiang)每兩個相(xiang)鄰檢定點(dian)用直線相(xiang)連接💘。顯然(ran),在檢定點(dian)上,其拟合(he)誤差爲零(ling),然而在非(fei)檢定點.上(shang)具有較大(da)誤差。表1給(gei)出了一組(zu)典型的折(she)線法非線(xian)性修正拟(ni)合數據。
　　拟(ni)合誤差的(de)計算公式(shi)8]爲:
 
　　從表1可(ke)見,在非檢(jian)定點處的(de)最大拟合(he)誤差達到(dao)±1.65%。
　　最小二乘(cheng)方法得到(dao)的是一條(tiao)連續曲線(xian),其原則是(shi)㊙️使各檢💛定(ding)點到該曲(qu)線的誤差(cha)平方和爲(wei)最小。由于(yu)檢定點上(shang)得到的數(shu)據并非标(biao)準值,其本(ben)身也具有(you)一定的誤(wu)差,而且實(shi)際使用的(de)渦輪流量(liang)計K-F特性曲(qu)🌈線應該是(shi)🌈連續的、平(ping)滑的,因此(ci)盡管在檢(jian)定點處的(de)💔拟合誤差(cha)不一定等(deng)于零,但用(yong)最小二乘(cheng)方法得到(dao)的連續曲(qu)線應該能(neng)更好地反(fan)映K-F關系的(de)本質9]。表2給(gei)💘出了用最(zui)小二乘方(fang)法得出的(de)一組非線(xian)性修正拟(ni)合誤差數(shu)據。
 
　　由表2可(ke)見,最大拟(ni)合誤差僅(jin)爲±0.15%,遠優于(yu)折線法的(de)拟合誤差(cha)🐕結👨‍❤️‍👨果📐。
六.渦(wo)輪流量計(ji)的應用
　　儀(yi)表樣機于(yu)1998年在天然(ran)氣和煤制(zhi)氣調壓站(zhan)進行了🏃🏻試(shi)🈲驗運行。在(zai)試驗管道(dao)上,均串聯(lian)美國德菜(cai)塞儀器公(gong)司💋的羅茨(ci)表氣體流(liu)量✏️計(其精(jing)度爲±1%)作爲(wei)标準表進(jin)行了比對(dui)。表3.表4分别(bie)給出了✔️天(tian)然氣和煤(mei)制氣流量(liang)計試驗🙇‍♀️數(shu)據.
 
　　從試驗(yan)結果可以(yi)看出,寬量(liang)程氣體渦(wo)輪流量計(ji)的計量結(jie)😘果與價格(ge)昂貴的進(jin)口羅茨式(shi)儀表的計(ji)量結果基(ji)本一緻,該(gai)流量計可(ke)以用于城(cheng)市燃氣管(guan)網的流量(liang)計量。

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