渦輪(lun)流量計(ji)(以下簡(jian)稱流量(liang)計)是以(yi)流體動(dong)量矩原(yuan)理爲基(ji)礎的🔴流(liu)量計量(liang)🏃🏻儀表。有(you)些科技(ji)文獻又(you)将其劃(hua)分爲速(su)度式儀(yi)表，因爲(wei)在一定(ding)👅的流量(liang)範圍内(nei)，流量計(ji)的轉動(dong)速度與(yu)流體的(de)💞流速成(cheng)比例關(guan)系。
　　渦輪(lun)流量計(ji)使用中(zhong)的主要(yao)特點：體(ti)積小；重(zhong)量輕；精(jing)👨‍❤️‍👨度高(有(you)🙇‍♀️的流量(liang)計可以(yi)當作計(ji)量标準(zhun)儀表)；反(fan)應時間(jian)快(有些(xie)可達到(dao)毫秒級(ji))；量程比(bi)寬(一般(ban)爲10∶1)；壓力(li)損失小(xiao)；适用工(gong)作🌏流體(ti)溫度高(gao)；輸出爲(wei)脈沖信(xin)号，故不(bu)易受到(dao)幹擾；可(ke)以長距(ju)離傳輸(shu)，便于各(ge)種參數(shu)處理。當(dang)它與多(duo)功能、多(duo)參數的(de)顯示儀(yi)表(以✉️下(xia)簡稱儀(yi)表)組合(he)使用時(shi)，可🤞以同(tong)時對累(lei)積流量(liang)、瞬時流(liu)量或流(liu)體溫度(du)、内部壓(ya)力等參(can)數進行(hang)測量及(ji)分析、調(diao)節。
1 渦輪(lun)流量計(ji)的工作(zuo)過程
　　渦(wo)輪流量(liang)計通常(chang)由渦輪(lun)(機械部(bu)分)、磁電(dian)轉換器(qi)、放大機(ji)構(電子(zi)部分)等(deng)組成。

　　當流(liu)體流經(jing)安裝在(zai)管道裏(li)的渦輪(lun)，即流經(jing)渦輪葉(ye)🥵片與管(guan)✏️道🌈之間(jian)的間隙(xi)時，由于(yu)流體的(de)沖擊作(zuo)用，使♉得(de)渦輪圍(wei)🚶繞軸心(xin)發🌈生旋(xuan)轉。渦輪(lun)旋轉的(de)轉數與(yu)介質流(liu)體🌈的體(ti)積流量(liang)呈現近(jin)似的線(xian)性關系(xi)。再将渦(wo)輪的旋(xuan)轉通過(guo)磁電轉(zhuan)換器變(bian)換成相(xiang)對應的(de)電脈沖(chong)信号，以(yi)此脈沖(chong)信号經(jing)電子放(fang)大機構(gou)放大後(hou)，即可輸(shu)送顯示(shi)儀表進(jin)行多參(can)數㊙️物理(li)量的指(zhi)示。
　　由前(qian)可知，在(zai)測量範(fan)圍内，渦(wo)輪的轉(zhuan)速與流(liu)量成正(zheng)比，而信(xin)💞号的🛀脈(mo)沖數則(ze)與渦輪(lun)的轉速(su)成正比(bi)。所以，檢(jian)測出信(xin)🐪号脈沖(chong)總數以(yi)後，除以(yi)儀表常(chang)數ξ(次/升(sheng))，便可計(ji)算得到(dao)該段時(shi)間内的(de)介質流(liu)體總量(liang) V(升)，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉(ju)一例：流(liu)量計ξ爲(wei) 180 次/L，用儀(yi)器測出(chu)在10,min 内儀(yi)表計算(suan)得的💁脈(mo)沖✨數爲(wei) 7,200 次，則 10,min内(nei)管道中(zhong)流過流(liu)體的總(zong)量爲：
V＝N/ξ＝7200 次(ci)/180 次/L＝40L
2 渦輪(lun)旋轉的(de)基本原(yuan)理
　　渦輪(lun)流量計(ji)主要組(zu)件包括(kuo)：導流體(ti)組件、渦(wo)輪組件(jian)、殼體、磁(ci)電轉換(huan)器和放(fang)大機構(gou)等。通過(guo)對流體(ti)流過管(guan)道及渦(wo)輪結構(gou)的分析(xi)，我們可(ke)以得出(chu)，當流體(ti)沿管道(dao)的軸線(xian)方向流(liu)動而沖(chong)擊渦輪(lun)葉片時(shi)，便有與(yu)流量 Q、密(mi)度φ和流(liu)速 V 的乘(cheng)積成比(bi)例的力(li)作用于(yu)葉片上(shang)，推動渦(wo)輪旋轉(zhuan)。

　　如圖(tu) 2 所示，由(you)于渦輪(lun)對流體(ti)是作相(xiang)對運動(dong)，如果渦(wo)輪旋轉(zhuan)的圓📐周(zhou)速度 V＝w·r 與(yu)軸線平(ping)行的流(liu)速與葉(ye)片的夾(jia)角爲θ，流(liu)通面積(ji)爲 A，則介(jie)質流速(su) V＝Q/A，則推動(dong)渦輪旋(xuan)轉的力(li)矩 M 可用(yong)下式表(biao)示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中(zhong)：K1——與流量(liang)計結構(gou)尺寸、流(liu)體質量(liang)、狀态有(you)關的參(can)數✉️；r——平均(jun)半徑，常(chang)取葉片(pian)寬度 1/2 到(dao)中心的(de)距離。
由(you)(2)式可知(zhi)，力矩 M 除(chu)與流量(liang) Q 有關外(wai)，與流體(ti)介質密(mi)度ρ、流🈚動(dong)狀态與(yu)流向等(deng)多個因(yin)素有關(guan)。
　　在渦輪(lun)旋轉時(shi)，除推動(dong)渦輪旋(xuan)轉的轉(zhuan)動力矩(ju) M外，還同(tong)時😍存在(zai)阻👣礙渦(wo)輪旋轉(zhuan)的阻力(li)矩，其中(zhong)包括：介(jie)質粘度(du)對渦輪(lun)摩擦引(yin)起的阻(zu)力矩 M1，軸(zhou)承摩擦(ca)引起的(de)👅阻力矩(ju)㊙️ M2，磁電轉(zhuan)🤞換器引(yin)起的磁(ci)電反應(ying)阻力矩(ju)M3。根據❄️動(dong)量矩守(shou)恒原理(li)，渦輪的(de)運動方(fang)程式可(ke)以用以(yi)下💛函數(shu)關系式(shi)🚶表示：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式(shi)中：J——渦輪(lun)的轉動(dong)慣量；dω/dt——渦(wo)輪的角(jiao)加速度(du)。
　　由(3)式可(ke)知，當 dω/dt 爲(wei)零時，渦(wo)輪以角(jiao)速度ω作(zuo)勻速轉(zhuan)動；當流(liu)量發生(sheng)變化時(shi)，dω/dt≠0，渦輪将(jiang)作加速(su)旋轉運(yun)動，經過(guo)一段時(shi)間後，随(sui)着流量(liang)🥵的穩定(ding)，渦輪又(you)會達到(dao)新的力(li)矩平衡(heng)狀态，即(ji) dω/dt 又等于(yu)零值。就(jiu)是說，渦(wo)輪将以(yi)另一新(xin)的角速(su)度勻速(su)旋轉，以(yi)适應🏃🏻新(xin)的流量(liang)，并出現(xian)了新的(de)穩定狀(zhuang)态。
　　通過(guo)分析和(he)計算可(ke)知，在 dω/dt＝0 時(shi)，渦輪轉(zhuan)動角速(su)度ω與體(ti)積流量(liang) Q 有如下(xia)式的近(jin)似關系(xi)：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式中：a——與(yu)流量計(ji)結構參(can)數、流體(ti)介質、流(liu)動狀态(tai)有關的(de)系數；ξ——流(liu)量計轉(zhuan)換系數(shu)，當介質(zhi)流量大(da)于某一(yi)數值時(shi)，在一段(duan)區間内(nei)可以近(jin)似看作(zuo)爲一常(chang)數，有時(shi)也稱爲(wei)儀表常(chang)數。
　　儀表(biao)常數ξ是(shi)流量計(ji)重要的(de)特性參(can)數，由于(yu)流量計(ji)是通過(guo)磁電⛱️轉(zhuan)換器将(jiang)角速度(du)ω 轉換成(cheng)相應的(de)脈沖數(shu)，因而我(wo)們可以(yi)把ξ看成(cheng)是單位(wei)體積流(liu)量 Q 通過(guo)流量計(ji)時，轉換(huan)器❄️輸出(chu)的㊙️脈沖(chong)數(脈沖(chong)數/升)，故(gu)也稱爲(wei)流量系(xi)數。流量(liang)計作爲(wei)産品出(chu)廠時，生(sheng)産單位(wei)則是🏃🏻‍♂️測(ce)取測量(liang)範圍内(nei)的轉換(huan)系數平(ping)均值作(zuo)爲儀表(biao)常👨‍❤️‍👨數，因(yin)而可以(yi)認😍爲流(liu)體總量(liang) V 與脈沖(chong)數 N 的關(guan)系🎯，如(5)式(shi)所示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁(ci)電轉換(huan)器的工(gong)作過程(cheng)
磁電轉(zhuan)換器工(gong)作時如(ru)圖 3 所示(shi)。
　　當流體(ti)通過渦(wo)輪葉片(pian)時，渦輪(lun) 5 将發生(sheng)旋轉運(yun)動，葉輪(lun)片🌈 4 将周(zhou)期性切(qie)割磁鋼(gang) 1 而産生(sheng)磁力線(xian) 3，從而改(gai)變通過(guo)線圈 2 的(de)磁通量(liang)，根據電(dian)磁感應(ying)原理，在(zai)線圈内(nei)将感應(ying)出脈動(dong)🏃🏻‍♂️的電勢(shi)信号。不(bu)難理解(jie)，脈動電(dian)勢信号(hao)的頻率(lü)與渦輪(lun)旋🐪轉的(de)角速🔆度(du)ω成正比(bi)，即與被(bei)測介質(zhi)的流量(liang) Q 成正比(bi)。通過放(fang)大機構(gou)(電子部(bu)分)将上(shang)✉️述脈沖(chong)信号放(fang)大到 1V 左(zuo)右脈沖(chong)電壓，傳(chuan)送給顯(xian)☁️示儀表(biao)，即可顯(xian)示出被(bei)測介質(zhi)的流量(liang)數據。

4 渦(wo)輪流量(liang)計顯示(shi)儀表工(gong)作原理(li)
　　根據我(wo)們對流(liu)量計工(gong)作原理(li)的分析(xi)和探讨(tao)，得知流(liu)量計輸(shu)出的信(xin)号是電(dian)脈沖數(shu)，因此儀(yi)表就是(shi)将單位(wei)時間㊙️的(de)輸⭐出脈(mo)🈲沖和♈輸(shu)出脈沖(chong)的總數(shu)轉換成(cheng)瞬時流(liu)量和流(liu)體總量(liang)，并把以(yi)上數據(ju)進行分(fen)析後通(tong)過數字(zi)量顯示(shi)。因而儀(yi)表的組(zu)成可以(yi)用圖 4 所(suo)示的方(fang)框圖表(biao)示：

4.1 瞬時(shi)流量指(zhi)示
　　瞬時(shi)流量指(zhi)示的實(shi)質，就是(shi)對瞬時(shi)頻率、脈(mo)沖信号(hao)的指示(shi)🐉，是将信(xin)号處理(li)後的頻(pin)率、脈沖(chong)線性地(di)轉換成(cheng)直流電(dian)信号而(er)指示相(xiang)應的流(liu)量參數(shu)。如果是(shi)模拟儀(yi)表，标尺(chi)常以頻(pin)率(Hz)數值(zhi)分度，指(zhi)示🈲的頻(pin)率值 f除(chu)以流量(liang)計儀表(biao)常數ξ就(jiu)能夠得(de)到瞬時(shi)體積流(liu)量值Q。如(ru)圖 5 所示(shi)的頻率(lü)瞬時指(zhi)示原理(li)方框圖(tu)。

　　經過(guo)整形後(hou)的輸入(ru)頻率(脈(mo)沖)作用(yong)于計算(suan)電路的(de)輸🈲入👣端(duan) T，使電路(lu)中交替(ti)出現截(jie)止或導(dao)通兩種(zhong)狀态，放(fang)大器輸(shu)出端⭕脈(mo)沖波形(xing)被整形(xing)，與 T 的波(bo)形相反(fan)，當放大(da)電路出(chu)現截止(zhi)狀♻️态時(shi)，電🏃🏻源 E 通(tong)過外圍(wei)電路(或(huo)集成内(nei)部🐕)在儲(chu)能電🙇‍♀️容(rong) C 中預存(cun)電荷；當(dang)放大電(dian)路出✂️現(xian)導通狀(zhuang)态時，C 預(yu)存的電(dian)荷通過(guo)外圍電(dian)路(或集(ji)成内部(bu))迅速釋(shi)放。就這(zhe)樣輸入(ru)的頻率(lü)(脈沖)經(jing)過電子(zi)電路改(gai)變爲與(yu)之相對(dui)應❤️的電(dian)流信🏃🏻号(hao)。電路裏(li)的電流(liu)指示儀(yi)表 4 即刻(ke)顯😄示該(gai)計量電(dian)流值 I 的(de)多少，I＝q/T，而(er) q＝C·E，f＝1/T(q 爲🙇‍♀️一個(ge)脈沖🌈周(zhou)期電容(rong)所充電(dian)荷量；C 爲(wei)電容量(liang)；E 爲電源(yuan)電壓值(zhi)；f 爲充放(fang)電頻率(lü))。合并三(san)式可得(de)到公式(shi)(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由公式(shi)(6)可知，當(dang)電源電(dian)壓 E 和電(dian)容量 C 爲(wei)常數時(shi)，電流 I 與(yu)輸💚入脈(mo)沖的頻(pin)率 f 成正(zheng)比，當更(geng)改外圍(wei)電路(或(huo)集成内(nei)部)儲存(cun)電荷的(de)電容 C(1～n)參(can)數或連(lian)接方式(shi)以及改(gai)變電路(lu)數據時(shi)，就可以(yi)得到不(bu)同介質(zhi)的流量(liang)測量範(fan)圍。在有(you)些流量(liang)計結構(gou)中，爲了(le)便于檢(jian)查指示(shi)儀表是(shi)否工作(zuo)正常，在(zai)放大⛹🏻‍♀️器(qi)輸入端(duan)設置有(you)自檢電(dian)🛀🏻路裝置(zhi)。它将振(zhen)蕩器産(chan)生的恒(heng)⭕定頻率(lü)脈沖信(xin)号送入(ru)後置電(dian)路，實現(xian)自動檢(jian)測工作(zuo)正常與(yu)否的目(mu)的。
4.2 總量(liang)積算
　　前(qian)述我們(men)介紹了(le)流量計(ji)工作原(yuan)理，通常(chang)還要計(ji)量在一(yi)定💃🏻時間(jian)範圍内(nei)，流量計(ji)流過介(jie)質的體(ti)積或質(zhi)量的🌈累(lei)積量，因(yin)此顯🌍示(shi)儀表具(ju)有累積(ji)計算功(gong)能。下面(mian)我們✔️根(gen)據流量(liang)計實⛷️際(ji)工況對(dui)一種✂️累(lei)積值計(ji)算方法(fa)的實現(xian)進行分(fen)析。
圖 6 爲(wei)一種應(ying)用除法(fa)方案進(jin)行累積(ji)計算的(de)組成原(yuan)理圖。

　　由(you)圖 6 可知(zhi)，此積算(suan)器構成(cheng)中包括(kuo)了整形(xing)、累積脈(mo)沖計🔞數(shu)、系統設(she)定、總量(liang)積算、軟(ruan)件數據(ju)的控制(zhi)等。其 4 個(ge)🈚輸出端(duan)分别與(yu)四層波(bo)段㊙️開關(guan)的各層(ceng)相連，通(tong)過軟🥵件(jian)控制，組(zu)成了💃系(xi)統設🌈定(ding)器。根據(ju)流量計(ji)系數ξ的(de)值🐕，可以(yi)在 0～9,999(其他(ta)參數也(ye)❌可以)之(zhi)間任意(yi)選擇設(she)定系數(shu)。
　　由放大(da)電路機(ji)構輸出(chu)的脈沖(chong)信号，經(jing)整形處(chu)理後，成(cheng)爲具有(you)一定幅(fu)值和能(neng)滿足前(qian)沿要求(qiu)的脈沖(chong)信号，将(jiang)此信号(hao)轉入換(huan)算電🆚路(lu)機構，它(ta)每輸出(chu)一個脈(mo)沖信号(hao)便拖動(dong)計數電(dian)路機構(gou)統計一(yi)♌個數碼(ma)參數，同(tong)時軟件(jian)功能即(ji)可🔞識别(bie)紀錄出(chu)一個數(shu)✉️字量，表(biao)明已經(jing)有一個(ge)單位介(jie)質體積(ji)的流量(liang)流過流(liu)量計。此(ci)時換算(suan)電路單(dan)元輸出(chu)的信号(hao)🆚直接改(gai)變觸發(fa)穩态電(dian)路，使各(ge)🔞計數參(can)數值恢(hui)複到起(qi)始的“零(ling)”狀态，重(zhong)複此❤️過(guo)程即完(wan)成了累(lei)積脈沖(chong)的積算(suan)，就是🔴對(dui)累積流(liu)量介質(zhi)的積算(suan)。
　　例如：口(kou)徑爲 80,mm 的(de)流量計(ji)，流量系(xi)數ξ爲16.25 脈(mo)沖/升，通(tong)過軟件(jian)将系🈚數(shu)設定分(fen)别置于(yu) 1、6、2、5，則每當(dang)計數器(qi)收到 1,625 個(ge)脈沖信(xin)号的瞬(shun)時，軟件(jian)🐅操作發(fa)出指令(ling)并輸出(chu)一個固(gu)定頻率(lü)信号，使(shi)電路狀(zhuang)态發生(sheng)變化，使(shi)計數電(dian)路結構(gou)統計一(yi)個計量(liang)單✉️位，從(cong)而實現(xian)了逢 K 進(jin)一的累(lei)計運算(suan)，顯示儀(yi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼表就能(neng)夠顯示(shi)出流體(ti)介質總(zong)量。
　　通過(guo)上例分(fen)析可知(zhi)，如果流(liu)量計輸(shu)送到顯(xian)示儀表(biao)的脈💜沖(chong)總數👄爲(wei) N，經換算(suan)後，送到(dao)總量積(ji)算器的(de)脈沖數(shu)爲 Nc，則流(liu)體介質(zhi)計❄️量總(zong)量爲：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式(shi)中：K 爲設(she)定系數(shu)，(K＝10m·ξ)；m 爲整數(shu)。
　　本除法(fa)方案設(she)定系數(shu)的方式(shi)較爲簡(jian)單，穩定(ding)性比較(jiao)好，電路(lu)🚶容易實(shi)現，可以(yi)直接将(jiang)流量系(xi)數ξ 輸入(ru)軟件中(zhong)，控制系(xi)數設定(ding)👅器，積算(suan)器就可(ke)以逢 K 進(jin)一，顯示(shi)儀表指(zhi)示出流(liu)💋體介質(zhi)❓總量。
5 結(jie)束語
　　本(ben)文對渦(wo)輪流量(liang)計流量(liang)計和儀(yi)表的工(gong)作原理(li)進📧行了(le)分析，總(zong)結了其(qi)工作過(guo)程。重點(dian)對參數(shu)設定方(fang)❗法、電路(lu)組成及(ji)作用等(deng)進行了(le)說明。文(wen)章對測(ce)量不🥰同(tong)介質狀(zhuang)态下選(xuan)擇流量(liang)計以及(ji)使用方(fang)法和過(guo)程調試(shi)具有一(yi)定提示(shi)。

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