渦輪流量計(以(yǐ)下簡稱流量計(jì))是以流體動量(liang)矩原理爲基礎(chǔ)的流🌈量計💔量儀(yí)表。有些科技文(wén)獻又将其劃分(fen)爲速度式儀表(biǎo)，因爲在一定的(de)流量範圍内，流(liu)量計的轉動速(su)度與✏️流體的🌈流(liú)速成比例關系(xì)。
　　渦輪流量計使(shi)用中的主要特(te)點：體積小；重量(liàng)輕；精度高(有的(de)流量計可以當(dāng)作計量标準儀(yi)表)；反應時間快(kuài)(有些可達⭐到毫(hao)秒級)；量程比寬(kuan)(一般爲10∶1)；壓力損(sun)失小；适👌用工作(zuò)💜流體溫度高；輸(shū)出爲脈👣沖信号(hao)，故不易受到幹(gan)🔞擾；可以長距離(li)傳輸，便于各種(zhǒng)參數處理🔞。當它(tā)與多功能、多參(can)數的顯示儀表(biǎo)(以下簡稱儀表(biǎo))組合使用時，可(kě)以同時對累積(ji)流量、瞬時流量(liàng)或流體溫度、内(nèi)部壓力㊙️等參數(shù)進行測量🌏及分(fen)析、調節。
1 渦輪流(liu)量計的工作過(guo)程
　　渦輪流量計(ji)通常由渦輪(機(ji)械部分)、磁電轉(zhuan)換器、放🏃大機構(gou)(電子部分)等組(zǔ)成。

　　當流體(tǐ)流經安裝在管(guan)道裏的渦輪，即(jí)流經渦輪葉片(pian)與管😄道之間的(de)間隙時，由于流(liu)體的沖擊作用(yong)，使得渦🥰輪圍🤩繞(rào)軸心發生旋轉(zhuan)。渦輪旋轉的轉(zhuan)數與介質流體(ti)的體積流量呈(cheng)🈲現近似的線性(xìng)關系。再将渦輪(lun)的旋轉通過磁(ci)電👨‍❤️‍👨轉換器變換(huàn)成相對應的電(diàn)脈👌沖信号，以此(ci)脈沖信号經電(diàn)子放大機構放(fang)大後，即可輸送(song)顯示❗儀表進行(hang)多參數物理量(liàng)的指示。
　　由前可(kě)知，在測量範圍(wéi)内，渦輪的轉速(su)與流量成正比(bǐ)，而信号的脈沖(chong)數則與渦輪的(de)轉速成正比。所(suǒ)以，檢測出信号(hào)脈沖總數以後(hòu)，除以儀表常數(shù)ξ(次/升)，便✊可計算(suàn)得到該段時間(jiān)内的介🌍質流體(tǐ)總量 V(升)，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一(yī)例：流量計ξ爲 180 次(ci)/L，用儀器測出在(zai)10,min 内儀表計算得(dé)的脈沖數爲 7,200 次(cì)，則 10,min内管道中流(liu)過流體的總量(liang)爲：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
2 渦輪旋(xuan)轉的基本原理(li)
　　渦輪流量計主(zhǔ)要組件包括：導(dǎo)流體組件、渦輪(lun)組件、殼體、磁電(dian)轉換器和放大(dà)機構等。通過對(dui)流體流過管道(dào)及渦輪結👄構的(de)分析，我們可以(yi)得出，當流體沿(yan)管道的軸線方(fāng)向流動而沖擊(jī)渦輪葉片時，便(biàn)有與流量 Q、密度(du)φ和流速 V 的乘積(jī)成比🔴例的力作(zuo)⛷️用于葉片上，推(tui)動渦輪旋轉。

　　如圖 2 所(suǒ)示，由于渦輪對(duì)流體是作相對(dui)運動，如果渦輪(lún)旋✨轉的圓周速(sù)度 V＝w·r 與軸線平行(hang)的流速與葉片(pian)的夾角爲θ，流通(tōng)面積爲 A，則介🧡質(zhì)流速 V＝Q/A，則推動渦(wō)輪旋轉的力矩(jǔ)🏃🏻 M 可用下式表示(shì)：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中：K1——與流量計(ji)結構尺寸、流體(ti)質量、狀态有關(guan)的參數✌️；r——平均半(ban)徑，常取葉片寬(kuan)度 1/2 到中心的距(ju)離。
由(2)式可知，力(li)矩 M 除與流量 Q 有(yǒu)關外，與流體介(jiè)質密度😘ρ、流動狀(zhuàng)🤩态與流向等多(duo)個因素有關。
　　在(zài)渦輪旋轉時，除(chu)推動渦輪旋轉(zhuǎn)的轉動力矩 M外(wài)，還同時存在阻(zǔ)礙渦輪旋轉的(de)阻力矩，其中包(bāo)括：介質粘度對(duì)渦輪摩擦引起(qǐ)的阻力矩 M1，軸承(cheng)摩擦引起的👅阻(zu)力矩 M2，磁電轉換(huàn)器引起的磁電(dian)反應阻力矩M3。根(gen)據動量矩守恒(heng)原理，渦輪的運(yun)動方程式可🌈以(yǐ)用以下🧑🏾‍🤝‍🧑🏼函數關(guan)系式表示：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式中(zhōng)：J——渦輪的轉動慣(guàn)量；dω/dt——渦輪的角加(jiā)速度。
　　由(3)式可知(zhi)，當 dω/dt 爲零時，渦輪(lún)以角速度ω作勻(yun)速轉動；當流量(liang)✉️發生變化時，dω/dt≠0，渦(wo)輪将作加速旋(xuan)轉運動，經過一(yī)段時間後，随着(zhe)流量的穩定，渦(wo)輪又會達到新(xīn)的力矩平衡狀(zhuàng)态，即 dω/dt 又等于☀️零(ling)值。就是說，渦輪(lun)将以另一⭐新的(de)角速度勻速旋(xuán)轉，以适應🚶新的(de)流量📱，并出現了(le)新的穩定狀态(tài)。
　　通過分析和計(ji)算可知，在 dω/dt＝0 時，渦(wō)輪轉動角速度(dù)ω與體積🌐流量 Q 有(you)如下式的近似(sì)關系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式中：a——與流(liú)量計結構參數(shù)、流體介質、流動(dòng)狀态有關的系(xi)數；ξ——流量🈲計轉換(huan)系數，當介質流(liú)量大于某一數(shu)值時❓，在一段區(qu)間内可以近似(si)看作爲一常數(shu)，有時也稱爲儀(yi)表常數。
　　儀表常(cháng)數ξ是流量計重(zhong)要的特性參數(shù)，由于流量計🌂是(shì)通❓過✔️磁🌈電轉換(huàn)器将角速度ω 轉(zhuǎn)換成相應的脈(mò)沖數，因而我們(men)可以把ξ看成是(shì)單位體積流量(liang) Q 通過流量計時(shi)，轉換器輸出的(de)脈沖數(脈沖數(shù)✨/升)，故也稱爲流(liu)量系數。流量計(ji)作☂️爲産品出廠(chǎng)時，生産🈲單位則(ze)是測取測量範(fan)圍内的轉換😄系(xi)數平均值作爲(wèi)儀表常㊙️數，因而(ér)可以認💚爲流體(tǐ)總量 V 與脈沖數(shu) N 的關系，如(5)式所(suo)示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電轉換器(qì)的工作過程
磁(ci)電轉換器工作(zuò)時如圖 3 所示。
　　當(dāng)流體通過渦輪(lun)葉片時，渦輪 5 将(jiang)發生旋轉運動(dòng)，葉🏃‍♂️輪片 4 将周期(qi)性切割磁鋼 1 而(ér)産生磁力線 3，從(cong)而改變通過線(xian)圈 2 的磁通量，根(gēn)據電磁感應原(yuan)理，在線圈内将(jiāng)感應出脈動的(de)電勢信号。不難(nan)理解，脈動電勢(shi)信号的頻率與(yu)渦輪旋轉的角(jiao)速度ω成正比，即(jí)與被測💛介質的(de)流量 Q 成正比。通(tōng)過放大機構(電(diàn)子部分)将上👅述(shu)脈沖信号放大(dà)到 1V 左右脈沖電(diàn)壓，傳送給顯💁示(shì)儀表，即可顯示(shi)出被🚩測介質的(de)流量數據。

4 渦輪流量計(ji)顯示儀表工作(zuò)原理
　　根據我們(men)對流量計工作(zuo)原理的分析和(he)探讨，得知流量(liàng)🔱計輸出🌈的信号(hao)是電脈沖數，因(yīn)此儀表就是将(jiāng)單位時間的輸(shu)出脈沖和輸出(chu)脈沖的總數轉(zhuan)換成瞬時流量(liang)和流體總量，并(bìng)把以上數據進(jin)行分析後☀️通過(guo)數字🐉量顯示。因(yin)而儀表的組成(chéng)可以🈲用圖 4 所示(shì)☔的方框圖表示(shi)：

4.1 瞬時流(liú)量指示
　　瞬時流(liú)量指示的實質(zhì)，就是對瞬時頻(pín)率、脈沖信号🥵的(de)♌指示✂️，是🔞将信号(hao)處理後的頻率(lü)、脈沖線性地轉(zhuǎn)換🤟成直流電信(xìn)号而指示相🌈應(yīng)的流量參數。如(rú)果是模👅拟儀表(biao)，标尺常以頻率(lü)(Hz)數值分度，指示(shi)的頻率值 f除以(yi)流量計儀表常(chang)數🎯ξ就能夠得到(dào)瞬時體積流量(liàng)值Q。如圖 5 所示的(de)頻率瞬時指示(shi)原理方框圖。

　　經過整(zheng)形後的輸入頻(pin)率(脈沖)作用于(yú)計算電路的輸(shu)入端 T，使電路中(zhōng)交替出現截止(zhi)或導通兩種狀(zhuàng)态，放大器輸🛀出(chu)端脈沖波形被(bèi)整形，與 T 的波形(xíng)相反，當🈲放大電(dian)路出現㊙️截止狀(zhuang)🚶态時，電♻️源 E 通過(guo)外圍電路(或集(ji)成内部)在儲能(néng)電容 C 中預存電(dian)荷；當放大電路(lù)出現導通狀态(tài)時，C 預存的電荷(hé)通過外圍電路(lù)(或集成内部)迅(xùn)速釋🤞放。就這樣(yàng)輸入的🌈頻率(脈(mò)沖)經過電子電(dian)路改變✊爲與之(zhi)相對應🧡的電流(liú)信号。電路裏的(de)電流指示儀表(biao) 4 即刻顯☂️示該計(ji)量電流值 I 的多(duō)少，I＝q/T，而 q＝C·E，f＝1/T(q 爲㊙️一個脈(mo)沖周期電容所(suǒ)🤟充電荷量；C 爲電(dian)容量；E 爲電源💁電(diàn)壓值；f 爲充放電(dian)頻率)。合并三式(shì)可得到公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由(yóu)公式(6)可知，當電(diàn)源電壓 E 和電容(rong)量 C 爲常數時，電(diàn)流 I 與輸入脈沖(chòng)的頻率 f 成正比(bǐ)，當更改外圍電(dian)路(或集成内🚶‍♀️部(bu))儲🌈存電🏒荷的電(diàn)容 C(1～n)參數或連接(jiē)方式以及改變(biàn)電路數據時🙇🏻，就(jiù)可以得到不同(tóng)介質的流量測(ce)量範圍。在有☎️些(xie)流量計🔅結構中(zhōng)，爲了便于檢查(chá)指示儀表是否(fǒu)工作🔆正常，在放(fang)大器輸入端設(she)置有自檢電🔅路(lu)裝置。它将振蕩(dàng)器産生的恒定(ding)頻率脈沖信号(hao)送入後置電路(lu)，實現自動檢測(cè)工作正常與否(fou)的目的。
4.2 總量積(ji)算
　　前述我們介(jie)紹了流量計工(gong)作原理，通常還(hái)要計量在一定(dìng)時💛間範圍内，流(liú)量計流過介質(zhi)的體積或質✉️量(liàng)的累積量，因此(ci)顯示儀表具有(yǒu)累積計算功能(néng)。下面我們根據(ju)流量計實際工(gōng)況對一種👈累積(ji)值計算方法的(de)實現進行分析(xī)。
圖 6 爲一種應用(yong)除法方案進行(hang)累積計算的組(zǔ)成原理圖。

　　由圖 6 可知，此(cǐ)積算器構成中(zhōng)包括了整形、累(lei)積脈沖計數、系(xì)統🌈設🍓定、總量積(ji)算、軟件數據的(de)控制等。其 4 個輸(shū)出端分别與四(si)層波段開關的(de)各層相連，通過(guò)軟件控制，組成(cheng)了系統設定器(qì)。根據流量計系(xì)數ξ的值‼️，可以在(zai) 0～9,999(其他參數也可(ke)以)之間任意選(xuan)擇設定系數。
　　由(you)放大電路機構(gou)輸出的脈沖信(xìn)号，經整形處理(lǐ)後，成爲具有一(yi)定幅值和能滿(man)足前沿要求的(de)脈沖信♻️号，将此(cǐ)信号轉入換算(suan)電路機構，它每(mei)輸出一個脈沖(chong)信号便拖動♍計(ji)數電路機構統(tong)計一㊙️個數碼參(cān)數，同時軟件功(gōng)能即可識别紀(jì)錄出一個數字(zì)量，表明已經有(yǒu)一個單位介質(zhì)體積的流量流(liu)過流量計。此時(shi)換算電路單元(yuán)輸出的信号直(zhi)接改變觸發🥰穩(wěn)态電路，使各計(jì)數參數值恢複(fu)到起始的“零”狀(zhuàng)态，重複此過程(cheng)即完成了累積(jī)脈沖的積算，就(jiù)是對累積流‼️量(liàng)介質的積算。
　　例(li)如：口徑爲 80,mm 的流(liu)量計，流量系數(shù)ξ爲16.25 脈沖/升，通過(guo)軟件将系數設(she)😘定分别置于 1、6、2、5，則(ze)每當計數器收(shou)到 1,625 個脈沖信号(hao)的瞬時，軟件操(cāo)作發出指令并(bing)輸出一個固定(ding)頻率信号，使電(dian)路狀☁️态發生變(biàn)化，使計數電路(lù)結構統計一個(ge)計量單位，從而(ér)實現了逢 K 進一(yi)的累計運算，顯(xiǎn)示儀表就能夠(gòu)顯示出流體介(jie)質總量。
　　通過上(shàng)例分析可知，如(rú)果流量計輸送(song)到顯示儀表的(de)脈⭐沖總數爲 N，經(jing)換算後，送到總(zong)量積算器的脈(mo)沖數爲❄️ Nc，則流體(ti)介質計🈲量總量(liang)爲：
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。
　　本(běn)除法方案設定(dìng)系數的方式較(jiào)爲簡單，穩定性(xing)比較好，電路容(rong)易實現，可以直(zhi)接将流量系數(shu)ξ 輸入軟件中🧡，控(kòng)制✂️系數設定器(qi)，積算器就可以(yi)逢 K 進一，顯示儀(yi)表指示出流體(ti)介質總量。
5 結束(shù)語
　　本文對渦輪(lun)流量計流量計(ji)和儀表的工作(zuo)原理進行了分(fèn)析，總結了其工(gong)作過程。重點對(duì)參數設定方法(fǎ)、電路組成及🔴作(zuo)用🏃等進行了說(shuō)明。文章對測量(liàng)不同介質狀态(tai)下選擇流量計(jì)以及使用⛹🏻‍♀️方法(fǎ)和過程調試具(ju)有一定提示。

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