渦(wo)輪流量計(以(yǐ)下簡稱流量(liàng)計)是以流體(ti)動量矩原理(li)爲基礎的✌️流(liu)‼️量計💘量儀表(biǎo)。有些科技文(wén)獻又将其劃(hua)分爲速度式(shi)儀表，因爲在(zài)一定的流🍉量(liàng)範圍内，流量(liàng)計的轉動🔞速(su)度與🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流體的(de)流速成比例(li)關💋系。
　　渦輪流(liu)量計使用中(zhong)的主要特點(dian)：體積小；重量(liang)輕；精💋度高📱(有(you)的流量計可(ke)以當作計量(liàng)标準儀表)；反(fan)應時間快(有(yǒu)些可達到毫(háo)秒級)；量程比(bǐ)寬(一般爲10∶1)；壓(yā)力損失小；适(shì)用工作🏃‍♀️流體(tǐ)溫度高；輸🐕出(chū)爲脈🐅沖信号(hào)，故不👄易受到(dao)幹擾；可以長(zhǎng)距離傳輸🈲，便(bian)于各種參數(shù)處理。當它與(yǔ)多功能、多參(cān)數的顯示儀(yí)表(以下簡稱(chēng)儀表🥰)組合使(shǐ)用時🤟，可以同(tóng)時對累積流(liú)量、瞬時流量(liang)或流體溫度(du)、内部壓力等(děng)參數進行測(ce)量及分析、調(diao)節。
1 渦輪流量(liang)計的工作過(guo)程
　　渦輪流量(liàng)計通常由渦(wō)輪(機械部分(fèn))、磁電轉換器(qi)、放大機構(電(diàn)子部分)等組(zu)成。

　　當(dāng)流體流經安(an)裝在管道裏(lǐ)的渦輪，即流(liú)經渦輪葉片(pian)與管道之🌈間(jiān)的間隙時，由(you)于流體的沖(chòng)擊作用，使😘得(dé)渦輪圍繞軸(zhóu)心發生旋轉(zhuan)。渦輪旋轉的(de)轉數與介質(zhi)流體的體積(jī)流量呈現近(jìn)似的線性♻️關(guan)系。再将渦輪(lun)的旋轉通過(guo)磁電轉換器(qì)變換成相對(dui)應的電脈🍓沖(chòng)信号，以此脈(mò)沖信号經電(diàn)子放大機構(gou)放大後，即可(kě)輸送顯示儀(yi)表進行多參(cān)數物理量的(de)指示。
　　由前可(ke)知，在測量範(fan)圍内，渦輪的(de)轉速與流量(liang)成正比💋，而信(xin)号的脈沖數(shù)則與渦輪的(de)轉速成正比(bǐ)。所以，檢測出(chu)信号脈沖總(zǒng)數以後，除以(yǐ)儀表常數ξ(次(cì)/升)，便可計算(suan)得到該段時(shi)間内的介質(zhì)流體總量 V(升(sheng))，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一例：流(liu)量計ξ爲 180 次/L，用(yòng)儀器測出在(zài)10,min 内儀表計算(suan)得‼️的脈沖🏃‍♀️數(shù)爲 7,200 次，則 10,min内管(guǎn)道中流過流(liú)體的總量爲(wèi)：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
2 渦輪旋(xuan)轉的基本原(yuán)理
　　渦輪流量(liang)計主要組件(jian)包括：導流體(ti)組件、渦輪組(zu)件、殼體、磁⛱️電(diàn)💋轉換器和放(fàng)大機構等。通(tong)過對流體流(liú)過🌈管道及渦(wo)輪結構的分(fen)析，我們可以(yǐ)得出，當流體(tǐ)沿管道的⭐軸(zhou)線方向流動(dòng)而沖擊渦輪(lún)葉片時，便有(you)與🛀流量 Q、密度(dù)φ和流速 V 的乘(cheng)積成比例的(de)力作用于葉(yè)片上，推動渦(wo)輪旋轉。

　　如圖(tu) 2 所示，由于渦(wo)輪對流體是(shi)作相對運動(dong)，如果渦輪旋(xuán)轉的圓周速(sù)度 V＝w·r 與軸線平(píng)行的流速與(yu)葉片的夾角(jiǎo)爲θ，流通面積(ji)爲 A，則介質流(liú)速 V＝Q/A，則推動渦(wō)輪旋轉的力(lì)矩 M 可用下🙇‍♀️式(shi)表示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中：K1——與(yu)流量計結構(gòu)尺寸、流體質(zhì)量、狀态有關(guan)的參🐆數；r——平均(jun)🔞半徑，常取葉(ye)片寬度 1/2 到中(zhong)心的距離。
由(you)(2)式可知，力矩(jǔ) M 除與流量 Q 有(you)關外，與流體(ti)介質密度ρ、流(liu)動狀态與流(liú)向等多個因(yīn)素有關。
　　在渦(wō)輪旋轉時，除(chu)推動渦輪旋(xuán)轉的轉動力(li)矩 M外，還⛹🏻‍♀️同💁時(shí)存🎯在阻礙渦(wo)輪旋轉的阻(zu)力矩，其中包(bāo)括：介質粘度(du)對渦輪摩擦(ca)引起的阻力(lì)矩 M1，軸承摩擦(cā)引起的阻力(lì)矩 M2，磁電轉換(huàn)器引起的磁(ci)電反應🔴阻力(li)矩M3。根據動量(liang)矩守恒原理(lǐ)，渦輪的運動(dong)方程式可以(yi)用以下👈函數(shu)關系式🚶表示(shi)：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式中：J——渦輪的(de)轉動慣量；dω/dt——渦(wo)輪的角加速(su)度。
　　由(3)式可知(zhi)，當 dω/dt 爲零時，渦(wō)輪以角速度(du)ω作勻速轉動(dòng)；當流量發生(shēng)變化時，dω/dt≠0，渦輪(lun)将作加速旋(xuán)轉運動，經過(guò)一段時間後(hòu)，随着🌈流量的(de)穩定，渦輪又(you)會達到新的(de)力矩平衡狀(zhuàng)态，即 dω/dt 又等于(yú)零值。就是說(shuō)，渦輪将以另(ling)一新的角速(su)度勻速旋轉(zhuan)，以适應新的(de)流量，并出現(xian)了新的穩定(ding)狀态。
　　通過分(fen)析和計算可(ke)知，在 dω/dt＝0 時，渦輪(lún)轉動角速度(du)ω與體積流量(liàng) Q 有如下式的(de)近似關系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式(shì)中：a——與流量計(jì)結構參數、流(liu)體介質、流動(dòng)狀态有關🔴的(de)系數；ξ——流量計(jì)轉換系數，當(dāng)介質流量大(da)于某一數值(zhí)時，在一段區(qū)間内可以近(jin)似看作爲一(yi)常數，有時也(ye)稱爲儀表常(chang)數。
　　儀表常數(shù)ξ是流量計重(zhòng)要的特性參(cān)數，由于流量(liàng)計是通過磁(ci)電轉換器将(jiāng)角速度ω 轉換(huàn)成相應的脈(mò)沖數，因而我(wo)們可❤️以把ξ看(kàn)成是單位體(ti)積流量 Q 通過(guo)流量計時，轉(zhuǎn)換器輸出的(de)脈沖數📱(脈沖(chòng)數/升)，故也稱(cheng)爲流量系數(shù)。流量計作爲(wèi)産品出廠時(shi)，生産單位則(ze)是測取測量(liàng)範🈚圍内的轉(zhuǎn)換系數平均(jun)值作爲儀表(biǎo)常數，因而可(kě)以認爲流體(tǐ)總量 V 與脈沖(chong)數 N 的關系🥵，如(ru)(5)式所示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電(dian)轉換器的工(gong)作過程
磁電(diàn)轉換器工作(zuo)時如圖 3 所示(shì)。
　　當流體通過(guò)渦輪葉片時(shi)，渦輪 5 将發生(shēng)旋轉運動，葉(ye)輪片 4 将周期(qi)✔️性切割磁鋼(gang) 1 而産生磁力(lì)線 3，從而改變(biàn)通過線圈📞 2 的(de)磁通量，根據(ju)電磁感應原(yuan)理，在線圈内(nèi)将感應出脈(mò)動‼️的電勢信(xin)号。不‼️難理解(jie)，脈動電勢信(xìn)🔅号的頻率🔅與(yu)渦輪旋🈚轉的(de)角速度ω成正(zhèng)比，即與被測(ce)介質的流量(liàng) Q 成正比。通過(guò)放大機構(電(diàn)子部分)将上(shàng)述脈沖信号(hào)放大到 1V 左右(yòu)脈沖電壓，傳(chuan)送給顯🐆示儀(yi)表，即可顯🈲示(shi)出被測介質(zhì)的流量數據(jù)。

4 渦輪流量計(jì)顯示儀表工(gōng)作原理
　　根據(ju)我們對流量(liang)計工作原理(li)的分析和探(tan)讨，得知流量(liàng)計輸出🛀🏻的信(xin)号是電脈沖(chòng)數，因此儀表(biǎo)就是将✏️單位(wèi)時間的輸出(chū)脈沖和輸出(chū)脈沖的總數(shù)轉換成瞬時(shí)流量和流體(tǐ)總量，并把以(yi)💯上數據進行(háng)分析後📧通過(guò)數字量顯示(shì)。因而儀表的(de)組成可以用(yong)圖 4 所示的方(fang)框圖表🔞示：

4.1 瞬時(shi)流量指示
　　瞬(shun)時流量指示(shi)的實質，就是(shi)對瞬時頻率(lǜ)、脈沖信号的(de)指示🈲，是将信(xin)号處理後的(de)頻率、脈沖線(xiàn)性地轉換成(cheng)直流電信号(hao)📧而指示相應(yīng)的流量參數(shu)。如果是模拟(ni)儀表，标尺常(chang)以頻率(Hz)數值(zhi)分度，指示的(de)頻率值 f除以(yǐ)流量計儀表(biao)常數ξ就能夠(gou)得到瞬時體(ti)積流量值💚Q。如(ru)圖 5 所示的✨頻(pin)率瞬時指示(shì)原理方框圖(tú)。

　　經過整形(xíng)後的輸入頻(pín)率(脈沖)作用(yong)于計算電路(lù)的輸入端 T，使(shǐ)電㊙️路中交替(ti)出現截止或(huò)導通兩種狀(zhuang)态，放大🆚器輸(shū)出端🐪脈沖波(bō)形被整形，與(yǔ) T 的波形相反(fǎn)，當放大電路(lù)出現截止狀(zhuàng)态時，電源 E 通(tōng)過✏️外圍電路(lu)(或💃🏻集成内部(bu))在儲能電容(róng) C 中預存電荷(hé)；當放🔞大電路(lu)出現導通狀(zhuang)态時，C 預存的(de)電❓荷通過外(wài)圍👨‍❤️‍👨電路(或集(ji)成内部)迅速(su)釋放。就這樣(yàng)輸入的頻率(lǜ)(脈沖)經過電(dian)子🌈電路改變(bian)爲與之相對(duì)應的電流信(xìn)号。電路裏的(de)電流指示儀(yi)表 4 即刻顯示(shi)該計量電流(liú)值 I 的多少，I＝q/T，而(er) q＝C·E，f＝1/T(q 爲一個脈沖(chong)周期電容所(suo)充電荷量；C 爲(wei)電容量；E 爲電(dian)源電壓值；f 爲(wèi)充放電頻率(lǜ))。合并三式可(ke)得到公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由(you)公式(6)可知，當(dāng)電源電壓 E 和(he)電容量 C 爲常(chang)數時，電流 I 與(yǔ)輸入💜脈沖的(de)頻率 f 成正比(bǐ)，當更改外圍(wei)電路(或集成(cheng)内部)儲存電(diàn)荷的電容 C(1～n)參(cān)數或連接方(fāng)式以及改變(biàn)電路數據時(shí)，就可以得到(dào)不🚩同介質的(de)流量測量💛範(fàn)圍。在有些流(liú)量計結構中(zhong)，爲了便于檢(jian)查指示儀表(biao)是否工作正(zheng)常，在放大器(qì)輸入端設置(zhì)有自檢電路(lù)裝置。它将振(zhèn)蕩器産生的(de)恒定頻率脈(mò)沖信号送⛹🏻‍♀️入(ru)後置電路，實(shi)現自動檢測(ce)工作正常與(yu)否的目的。
4.2 總(zong)量積算
　　前述(shu)我們介紹了(le)流量計工作(zuò)原理，通常還(hai)要計量在一(yi)定🔴時間範圍(wei)内，流量計流(liu)過介質的體(tǐ)積或質量的(de)累積量，因此(cǐ)顯示儀😘表具(jù)有累積計算(suan)功能。下面我(wo)們根據流量(liàng)計實際工況(kuàng)對一種累積(ji)值計算方法(fǎ)的實❗現進行(háng)分析。
圖 6 爲一(yī)種應用除法(fǎ)方案進行累(lèi)積計算的組(zu)成原理圖。

　　由(you)圖 6 可知，此積(ji)算器構成中(zhong)包括了整形(xing)、累積脈沖計(jì)數、系♻️統設💋定(dìng)、總量積算、軟(ruǎn)件數據的控(kòng)制等。其 4 個✏️輸(shu)出🌈端分🈲别與(yǔ)四層波段開(kāi)關的各層相(xiang)連，通過軟件(jiàn)控制，組成了(le)系統設定器(qì)。根據流量計(ji)系數ξ的值，可(ke)以在 0～9,999(其他參(can)數也📱可以)之(zhi)間任意選擇(ze)設定系數。
　　由(yóu)放大電路機(jī)構輸出的脈(mò)沖信号，經整(zhěng)形處理後❓，成(chéng)爲具有一定(dìng)幅值和能滿(man)足前沿要求(qiú)的脈沖信号(hào)，将🌈此信🐕号轉(zhuǎn)🚩入換算電路(lu)機構，它每輸(shu)出一個脈🏃🏻‍♂️沖(chòng)信号便拖動(dòng)計數電路機(jī)構💞統計一🌈個(gè)數碼參數，同(tong)時軟件功能(néng)即可識别紀(ji)錄🎯出一個數(shù)字量，表明🙇🏻已(yǐ)經有一個單(dān)位介質體積(ji)的流量流過(guò)流量計。此🈚時(shí)換算電路🔞單(dān)元輸出的信(xìn)号直接改變(bian)觸發穩态電(dian)路，使各計數(shu)參數值恢複(fu)到起始的“零(líng)”狀态，重複此(ci)過程即完成(cheng)了累積脈沖(chòng)的積算，就是(shì)對累積流量(liang)介質的積算(suan)。
　　例如：口徑爲(wèi) 80,mm 的流量計，流(liú)量系數ξ爲16.25 脈(mo)沖/升，通過軟(ruan)件将系數設(shè)定分别置于(yú) 1、6、2、5，則每當計數(shu)器收到 1,625 個脈(mo)沖信号的瞬(shun)時，軟件操作(zuo)發出指令并(bìng)輸出一個固(gù)🔆定頻率信号(hao)，使電路狀态(tai)發生變化，使(shǐ)計數電路結(jie)構統計一個(gè)計量單位，從(cong)而實現了逢(féng) K 進一的累計(ji)運算，顯示儀(yí)表就能夠顯(xiǎn)示出流體介(jie)質總量。
　　通過(guò)上例分析可(ke)知，如果流量(liang)計輸送到顯(xian)示儀表的脈(mò)沖總數爲 N，經(jing)換算後，送到(dao)總量積算器(qi)的脈沖數爲(wèi)☎️ Nc，則流⛷️體介質(zhì)計🙇‍♀️量總量爲(wei)：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式中：K 爲設定(ding)系數，(K＝10m·ξ)；m 爲整數(shù)。
　　本除法方案(àn)設定系數的(de)方式較爲簡(jiǎn)單，穩定性比(bǐ)較❓好，電路容(róng)易實現，可以(yi)直接将流量(liang)系數ξ 輸入軟(ruan)🤟件中，控制系(xi)數設定器，積(ji)算器就可以(yǐ)逢 K 進一，顯示(shi)儀表指示出(chū)流體介質總(zong)量。
5 結束語
　　本(běn)文對渦輪流(liu)量計流量計(jì)和儀表的工(gong)作原理進行(hang)了分🔴析，總😘結(jié)了其工作過(guo)程。重點對參(can)數設定方法(fǎ)、電路組成及(jí)作用等進行(hang)了說明。文章(zhāng)對測量不🈲同(tong)介質狀态下(xià)🔞選擇流量計(jì)以及使用方(fang)法和過程調(diào)試具有一定(dìng)提示。

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