摘要：介紹(shao)了一種國産寬(kuan)量程氣體渦輪(lun)流量計 的工作(zuò)原理及渦輪的(de)設計思想，闡述(shù)了零阻力信号(hào)檢👈測🍉法⁉️和💛儀表(biǎo)系數的非線性(xing)修正法,并給出(chū)了室内檢定和(hé)工🈲業現🌏場的試(shi)驗數據。檢定結(jie)果表明，該流量(liàng)計與進口設備(bei)🤩的計量結果基(ji)本一緻。目前這(zhe)種國産㊙️流量計(ji)已開始投入實(shi)際應用👅。
一、流量(liàng)計概述
　　近年來(lai),随着各行業對(duì)成本核算、貿易(yi)往來、節約能源(yuán)、自動控制🌈等工(gōng)作的重視,用戶(hù)對流量測量的(de)需求日益增多(duō),同時對流量計(jì)的測量精度、量(liang)程比、适用介，質(zhi)等技術指标提(tí)出了越❗來越高(gāo)的要求。由于城(chéng)市燃氣管網遍(biàn)布于整個城市(shi),考慮到供氣安(ān)全、管道的沿程(chéng)壓力損失等問(wèn)題，管道中🔞的介(jiè)質(液化天然氣(qì)、煤制氣)一般壓(yā)力較低🈲、流速不(bú)高,因此其流量(liang)測.量有固有的(de)特殊性。另外,因(yin)爲用氣高峰和(he)低谷時的管道(dao)内流量❌差距非(fēi)常大,所以需要(yào)一種量程寬、測(cè)量下限低的流(liú)量測量儀表。目(mu)前,國内外寬❄️量(liang)程氣體流量計(ji)主要有以下幾(ji)種。
(1) 腰輪式(羅茨(ci)式)氣體流量計(ji) .這是一種體積(jī)式測量儀表,具(jù)有測量下限低(dī)、量程寬、精度高(gao)、與介質物性參(cān)數關系不緊密(mi)等優點。但🎯對氣(qì)🍉體的潔淨程度(du)😄要求較高,使用(yong)中需要加裝過(guo)濾裝置,并需要(yao)經常清😄洗。
(2) 熱式(shi)氣體質量流量(liàng)計 。該流量計是(shì)利用氣體傳熱(rè)性能與其質量(liàng)流量的關系測(ce)量流🥰量,可測量(liàng)很.低的流速,具(ju)有較寬的測量(liàng)範圍,并具有一(yī)定的抗雜質能(neng)力,是近年來發(fā)展很快的一-種(zhong)流量計。但由于(yu)其工作原理的(de)局限性📧，易受氣(qì)體成分變化🌈的(de)影響，因此隻适(shì)用于成分比較(jiào)穩定的氣體流(liu)量測量。.
(3) 渦輪氣(qì)體流量計 。該流(liú)量計是利用葉(yè)輪在氣體推動(dong)下的轉動來測(cè)量氣體❗的💔流量(liang),具有一定的抗(kàng)雜質能力,并且(qiě)不受氣體成分(fèn)變化的影👣響。該(gāi)🍉種流量計在國(guo)外使用較多,而(er)國産渦輪流量(liang)計由于其流量(liàng).下限較高,因此(cǐ)很少在城市燃(rán)氣管👄網上使用(yong)。
　　國内生産的氣(qì)體渦輪流量計(jì)技術指标爲， 滿(mǎn)管式渦輪流量(liang)計 的流速測量(liang)範圍爲4~26m/s,精度爲(wei)±1.5%;插人式渦輪流(liú)量計的流速測(ce)量範圍爲3~15m/s,精度(du)爲±2.5%。
　　與國外同類(lei)産品相比,國内(nèi)産品在流速測(ce)量的下限㊙️這一(yi)指标上具有較(jiao)大的差距,而這(zhe)一指标在城市(shi)燃氣管網的📱流(liu)量測量中極爲(wei)重要。
　　爲提高渦(wō)輪流量計的量(liang)程比和擴展其(qí)測量下限,研制(zhi)🛀🏻出了一種寬量(liàng)程、低流速氣體(tǐ)的渦輪流量計(jì)⭐。這種渦輪👅流量(liang)㊙️計的精度在Qmin~0.2Qmax時(shí)爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時爲±1.5%,流速(sù)測量範圍爲0.3~10m/s.這(zhè)種流量計爲插(cha)人式♋結構,适用(yong)于.φ100~200口徑的管道(dao),并具有維護方(fang)便的優點。
二、渦(wo)輪流量計工作(zuo)原理
　　渦輪流量(liang)計 的工作原理(lǐ)示意圖如圖1所(suo)示。在管道中心(xin)安放一個渦輪(lun),流體通過時沖(chong)擊渦輪葉片,對(duì)渦輪産生驅動(dòng)力😘矩,使渦輪克(kè)服摩擦力矩和(he)流體阻力矩而(ér)産生旋轉,其旋(xuán)轉角速度與流(liú)體流速正相關(guān)。由檢測探頭檢(jian)測出葉片轉👉動(dong)頻率,輸入流量(liàng)顯🌈示.積算儀得(de)到瞬時流量和(hé)累計流🐅量。
 
　　爲(wèi)适應城市燃氣(qì)管網的流量測(ce)量要求,應盡量(liang)拓寬流量測量(liang)🏃‍♀️的下限,即盡量(liàng)降低渦輪流量(liàng)計的始動流量(liàng)qmin.建立了一種渦(wō)輪㊙️流量計的理(li).論模型。在流🙇🏻體(ti)處于定常流狀(zhuàng)态時,渦輪在流(liu)體的驅.動力矩(jǔ)T,作用下轉動，阻(zu)力矩包括軸與(yǔ)軸承之間摩擦(cā)産生的機械摩(mó)擦阻力矩Trm.渦輪(lún)與⭐流體之間産(chan)生的流體阻❄️力(li)矩Trf,以及檢測探(tàn)頭對渦輪産生(sheng)的電磁阻力✏️矩(jǔ)Tre,并應有以下平(ping)衡關系:
 
　　由流體(ti)力學3可知,當流(liú)體的流動處于(yu)湍流狀态時,流(liú)體産生的摩擦(cā)力正比于流速(sù)的平方;當流動(dong)處于層流狀态(tài)時👅,其摩🧑🏽‍🤝‍🧑🏻擦力正(zhèng)比于流速,所以(yi)摩擦力均正相(xiàng)關于流速。當渦(wo)輪剛啓動而處(chu)于始動流量附(fù)近時,顯然Trf趨近(jìn)于⛱️零。故在分析(xī)始動流量時可(kě)不.考慮流體摩(mó)😄擦産生的阻力(li)，而僅考慮機械(xie)摩擦和🚩電磁阻(zǔ)力即可。
三、渦輪(lún)的設計與研究(jiū)
　　渦輪流量計的(de)流量計算可采(cai)用式(2):
 
式中qv一瞬(shùn)時流量,m³/s;
F一渦輪(lún)葉片産生的信(xin)号頻率,Hz;
K一儀表(biǎo)系數,1/m³'。
　　在渦輪的(de)設計方法中,首(shou)先要考慮的是(shì)盡量保.證💃🏻儀表(biao)🤩系數的♍線性度(dù),然後才能用式(shi)(2)進行流量計算(suan)。爲了滿足線性(xing)度的要求👅,葉片(pian)一般設計成按(an)圖1所示的螺旋(xuán)狀葉片。在渦輪(lún)的研究中,對❤️于(yú)流量計的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信息(xi)處理采用了計(ji)算機技術,可以(yǐ)對儀表系數的(de)非線性進行🐪實(shí)時修正。這就給(gěi)葉片結構的設(she)計提供了更廣(guǎng)闊的空間,即設(shè)計時🤟可以完全(quan)不考慮線性問(wen)題，而隻考慮能(neng)産生足夠大的(de)驅動力矩和盡(jìn)量小的摩擦.力(li)矩即可。
　　在經過(guo)系列研究和實(shí)驗之後,渦輪最(zui)終采用了由圖(tu)2所示的結構。葉(yè)片類似于風扇(shàn)葉片的形狀,傾(qīng)角45°,由0.3mm厚📧的不鏽(xiù)鋼薄闆整體🤟沖(chòng)壓而成，葉片數(shu)量爲20片。這種形(xing)💰狀的葉㊙️片雖然(ran)非線性🐅較大,但(dàn)重量相對較輕(qing),這對于降低始(shi)動流量很有好(hao)處,而其🏃‍♀️非線性(xing)則可通過單片(pian)機進行曲線♋拟(ni)合的方法予以(yi)修正。
 
　　由圖(tu)2可以看出,這種(zhǒng)渦輪沒有采用(yong)前後兩個:軸承(chéng)的結構,而是采(cǎi)用了單軸承式(shi)結構。軸承采用(yòng)了進口的微型(xíng)♋滾動軸承♋。軸爲(wèi)固定不動,單軸(zhóu)承安裝在㊙️軸的(de)中👨‍❤️‍👨間，由軸承套(tào)固💰定葉片☂️。這種(zhong)結構不僅減少(shao)了軸承引人的(de)機械摩擦,而且(qie)還克服了💞因前(qián)後軸承不同心(xin)而産生的阻力(lì)。另外,這種結構(gou)也有利于軸承(chéng)的防塵,密閉性(xing)更好。
四、檢測探(tan)頭的研究
　　一般(bān)渦輪流量計采(cǎi)用内部嵌有永(yong)久磁鋼的線圈(quān)‼️作爲檢測探頭(tou)。葉片轉動時切(qiē)割磁力線産生(shēng)感生電勢,該電(diàn)勢耦🐪合到線圈(quān)中，在線圈兩端(duan)可産生相應的(de)周期性變化的(de)感應電勢。當渦(wō)輪轉速很低時(shí),可以觀察到它(ta)的轉動不穩定(ding)。當葉片運動到(dào)磁鋼附近時,會(hui)出現一個減速(su)甚至停頓的過(guò)程,這是由永久(jiǔ)磁鋼對🔴葉片的(de)吸引力即電磁(ci)阻力造成的,因(yin)而在研究渦輪(lun)的轉速特性時(shi),電磁阻力是一(yi)個必須予以重(zhong)視的問題。
　　檢測(ce)探頭内部嵌有(you)一個軟磁性材(cái)料的線圈,其工(gong)作原理❗是以電(diàn)渦流爲基礎(5]。在(zai)線圈中通以高(gao)頻激勵信号,周(zhōu)圍産生一個高(gāo)頻交變磁場中(zhōng)。當葉片處于這(zhè)-.磁場中時,葉片(pian)中就會産生電(diàn)渦流。之後,該電(dian)渦流會産生一(yi)個阻礙高頻交(jiāo)變磁場中變化(huà)的磁場,,進而作(zuo)用在線圈上,對(duì)高頻激勵信号(hào)的幅度與頻率(lü)予以調制。經信(xìn)号處理電路,可(ke)反映葉片的頻(pín)🤞率.變化。
　　該檢測(ce)過程可等效爲(wèi),将線圈和葉片(pian)看作爲--個電🐇感(gǎn)L的原邊和次邊(bian),L由線圈的自感(gan)L小、葉片的自感(gan)Lr以♻️及它❄️們的互(hù)感M構成0)。當葉片(pian)離開線圈時,L中(zhong)僅存在⭐L;當葉片(piàn)處于線圈位置(zhi)時，由于互感M的(de)作用,感抗L是變(bian)化的,而🤩L作爲LC振(zhèn)蕩電路中的電(diàn)感元件✉️,它的變(bian)化将改變振蕩(dàng)電路信号的幅(fú)度與頻率。
　　采用(yong)這一電磁激勵(lì)結構,由于不産(chǎn)生電磁引力，因(yīn)此不🌈存☂️在電磁(ci)阻力,即
Tre=0
五、非線(xiàn)性修正的研究(jiū)
　　如前所述,爲了(le)降低渦輪的始(shi)動流量qvmin,并降低(dī)儀表系數K較👉大(da)的非線性，如何(hé)對非線性進行(háng)修正就是💘一個(ge)需要解決的重(zhòng)要問題。
　　根據國(guó)家計量檢定規(gui)程對速度式流(liú)量計檢定點📐的(de)規定”，檢定點包(bao)括7個點，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢(jian)定點的數量是(shi)有限的♈7個,而❄️流(liu)量計在使用中(zhōng),流量測量在qmin~qmax範(fàn)圍内爲任意的(de)✊。這樣,流🤩量計的(de)檢定點和非檢(jiǎn)🛀定點就會遠遠(yuǎn)超過7個。圖3給出(chū)了✊儀表.系數K與(yu)信号頻率F(或流(liú)量q)的典型非線(xiàn)性趨勢。
 
　　顯然(rán)不能再沿用平(ping)均儀表系數計(jì)算流量的方法(fǎ)🚶‍♀️,而應該用式(3)來(lái)計算在對應頻(pin)率信号F時的儀(yi)表系數K,再用式(shi)(2)計算流量。
K=f(F)(3)
　　該拟(ni)合公式的具體(ti)形式可用兩種(zhong)方法求取,即折(she)線法和最小二(èr)乘方法。
　　折線法(fa)是指将每兩個(gè)相鄰檢定點用(yong)直線相連接。顯(xiǎn)然,在🔴檢定點上(shang),其拟合誤差爲(wèi)零,然而在非檢(jiǎn)定點.上具有🌐較(jiao)大🐇誤差。表1給出(chū)了一組典型的(de)折線法非線性(xìng)修正拟💜合數據(jù)。
　　拟合誤差的計(ji)算公式8]爲:
 
　　從表(biao)1可見,在非檢定(ding)點處的最大拟(ni)合誤差達到±1.65%。
　　最(zui)小二乘方法得(dé)到的是一條連(lián)續曲線,其原則(zé)是使各檢定點(diǎn)到該曲線的誤(wu)差平方和爲最(zuì)小。由于檢定🌈點(dian)上得到的數據(jù)并非标準值,其(qí)本身也具有一(yī)定的誤差,而且(qie)實際使用的渦(wō)輪流量計K-F特性(xìng)曲線應該是💃連(lián)續的、平滑的,因(yīn)此盡管在檢💃定(ding)點處的拟合誤(wù)差不一定等于(yú)零,但用最小二(èr)乘方法得到的(de)連續曲線🔴應該(gāi)能更好地反映(ying)K-F關系的本質9]。表(biao)2給出了用最小(xiao)二乘方法得出(chū)的一組非線性(xìng)修正拟合誤差(cha)數據。
 
　　由表2可見(jiàn),最大拟合誤差(cha)僅爲±0.15%,遠優于折(shé)線法的拟合誤(wù)差結果。
六.渦輪(lun)流量計的應用(yong)
　　儀表樣機于1998年(nián)在天然氣和煤(mei)制氣調壓站進(jìn)行了🏃🏻‍♂️試驗🛀運行(háng)。在試驗管道上(shang),均串聯美國德(dé)菜塞儀器公司(sī)👌的羅茨表氣體(tǐ)🥵流量計(其精度(du)爲±1%)作爲标準表(biǎo)📞進行了比對。表(biǎo)💋3.表4分别給出了(le)天然氣和煤制(zhi)氣流量計試驗(yàn)數據.
 
　　從試驗結(jie)果可以看出,寬(kuān)量程氣體渦輪(lún)流量計的計量(liàng)結果與價格昂(áng)貴的進口羅茨(cí)式儀表的計量(liang)♈結果基本一緻(zhi),該流量計可以(yǐ)用于城市燃氣(qi)管網的流量計(ji)量。

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