摘(zhāi)要：介紹(shào)了一種(zhong)國産寬(kuān)量程氣(qi)體渦輪(lún)流量計(ji) 的工作(zuo)原理及(jí)渦輪的(de)設計思(si)想，闡述(shù)了零阻(zǔ)力信号(hao)🐆檢💜測法(fa)❤️和🏃‍♀️儀表(biao)系數的(de)非線性(xìng)修正法(fa),并給出(chu)了室内(nèi)檢定🧑🏽‍🤝‍🧑🏻和(he)工業現(xiàn)場的試(shi)驗數據(ju)。檢定結(jié)果表明(ming)，該流量(liàng)計與進(jìn)🤞口設備(bei)的計量(liàng)結果基(jī)☂️本一緻(zhi)。目前這(zhè)種國産(chǎn)流量計(jì)已開始(shi)投入實(shí)際應用(yong)。
一、流量(liang)計概述(shu)
　　近年來(lái),随着各(ge)行業對(dui)成本核(he)算、貿易(yi)往來、節(jie)約能❌源(yuán)、自動控(kong)制👉等工(gong)作的重(zhong)視,用戶(hù)對流量(liàng)測量的(de)需求日(rì)💃益增多(duō),同時對(duì)流量計(jì)的測量(liàng)精度、量(liang)程比、适(shì)用介，質(zhi)等技術(shu)指标提(ti)出了越(yue)來越高(gāo)的要求(qiu)。由于城(cheng)市燃氣(qì)管網遍(biàn)布🏃🏻于整(zheng)個城☂️市(shì),考慮到(dào)供氣安(ān)全㊙️、管道(dào)的沿程(cheng)☔壓力損(sun)失等✨問(wèn)題，管道(dào)中的介(jie)質(液化(huà)天然氣(qì)、煤制㊙️氣(qì))一般壓(yā)力較低(di)、流速不(bú)高,因此(ci)♋其流量(liàng)測.量有(yǒu)固有的(de)特殊性(xìng)。另外,因(yīn)爲用氣(qi)高峰和(he)低谷時(shí)的管道(dào)内流量(liang)差距非(fei)常大,所(suo)以需要(yào)一種量(liang)程寬、測(cè)量下限(xian)低的流(liu)量測量(liang)儀表。目(mù)前,國内(nei)外寬量(liàng)程氣體(tǐ)流量計(jì)主要有(you)🌈以下幾(jǐ)種。
(1) 腰輪(lún)式(羅茨(cí)式)氣體(tǐ)流量計(ji) .這是一(yī)種體積(ji)式測量(liàng)儀表,具(ju)有測量(liàng)下限低(dī)、量程寬(kuān)✏️、精度👅高(gao)、與介質(zhi)物性參(cān)數關系(xì)不緊密(mi)等優點(dian)。但對氣(qì)體的潔(jié)淨程度(du)要求較(jiao)高,使用(yong)中需要(yào)加裝過(guò)濾裝置(zhi)🈲,并需要(yao)經常清(qing)洗。
(2) 熱式(shi)氣體質(zhì)量流量(liàng)計 。該流(liu)量計是(shi)利用氣(qi)體傳熱(rè)性能與(yǔ)其質量(liang)流量的(de)關系測(ce)🔴量流量(liàng),可測量(liàng)很.低的(de)流速,具(ju)有較寬(kuan)的測量(liang)範圍,并(bing)具有💃一(yi)定的抗(kàng)雜質能(néng)力,是近(jìn)年來發(fa)展很快(kuài)的一-種(zhong)流量計(jì)。但‼️由于(yu)其工作(zuo)原理的(de)局限性(xing)，易受氣(qì)體成分(fèn)變化的(de)影響，因(yin)此隻适(shi)用于成(chéng)分比較(jiào)穩定的(de)氣體流(liu)量測量(liang)。.
(3) 渦輪氣(qi)體流量(liang)計 。該流(liú)量計是(shì)利用葉(yè)輪在氣(qi)體推動(dòng)下的轉(zhuǎn)動來測(cè)量氣體(tǐ)的流量(liang),具有一(yī)定的抗(kang)雜質能(neng)力,并且(qie)不受氣(qì)體成分(fen)變化❌的(de)影響。該(gai)種流量(liang)計在國(guó)外使用(yong)較🛀🏻多,而(ér)國産渦(wō)輪流量(liàng)計由于(yu)其流量(liang).下🌂限較(jiao)高,因此(ci)很少在(zai)城市燃(ran)氣管網(wǎng)上使用(yong)✂️。
　　國内生(sheng)産的氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)技術指(zhǐ)标爲， 滿(man)管式渦(wō)輪流量(liang)計 的流(liú)速測量(liang)範圍爲(wèi)4~26m/s,精度爲(wèi)±1.5%;插人式(shi)渦輪流(liú)量計的(de)流速測(cè)量範圍(wei)爲3~15m/s,精度(dù)爲±2.5%。
　　與國(guó)外同類(lei)産品相(xiang)比,國内(nei)産品在(zai)流速測(cè)量的下(xià)⛷️限這一(yī)指标上(shang)具有較(jiao)大的差(cha)距,而這(zhe)一指标(biāo)在城市(shi)燃㊙️氣管(guǎn)🍓網的流(liú)量測量(liang)中極爲(wèi)重要。
　　爲(wei)提高渦(wo)輪流量(liang)計的量(liàng)程比和(hé)擴展其(qi)測量下(xià)限,研制(zhì)出了一(yi)種寬量(liang)程、低流(liu)速氣體(tǐ)的渦輪(lún)流量計(jì)。這種渦(wo)輪流量(liàng)計的精(jing)度在Qmin~0.2Qmax時(shí)爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時(shí)爲±1.5%,流速(su)測量範(fàn)圍爲0.3~10m/s.這(zhè)種流量(liang)計爲☂️插(cha)人式結(jié)構,适用(yòng)于.φ100~200口徑(jing)的管道(dao),并具有(yǒu)維護方(fang)便的優(yōu)點🌍。
二、渦(wō)輪流量(liàng)計工作(zuo)原理
　　渦(wō)輪流量(liàng)計 的工(gong)作原理(lǐ)示意圖(tu)如圖1所(suǒ)示。在管(guǎn)道中心(xīn)安放一(yi)個渦輪(lún),流體通(tōng)過時沖(chòng)擊渦輪(lun)葉片,對(duì)渦輪産(chǎn)生驅🌈動(dòng)力矩,使(shǐ)渦輪克(ke)服摩擦(ca)力矩和(hé)流體阻(zu)力矩而(er)産生旋(xuán)轉,其旋(xuan)轉✉️角速(sù)度與流(liú)體流速(sù)正相關(guan)。由檢測(ce)探頭檢(jian)測出葉(ye)片轉動(dòng)頻率,輸(shū)入流量(liàng)顯示.積(jī)算儀得(dé)到瞬時(shi)流量和(hé)累計流(liu)🤩量。
 
　　爲(wèi)适應城(chéng)市燃氣(qì)管網的(de)流量測(ce)量要求(qiú),應盡量(liàng)拓寬流(liú)量測量(liàng)的下限(xian),即盡量(liang)降低渦(wō)輪流量(liang)計的始(shǐ)動流量(liàng)qmin.建🚶‍♀️立了(le)一種👣渦(wō)輪流量(liàng)計的理(lǐ).論模型(xing)。在流體(ti)處于⁉️定(ding)常流狀(zhuang)态時,渦(wo)輪在流(liu)體的🍉驅(qū).動力矩(jǔ)T,作用下(xià)轉動，阻(zu)力矩包(bāo)括軸與(yǔ)軸承之(zhi)間摩擦(cā)産生的(de)機械摩(mo)擦阻力(li)矩Trm.渦輪(lún)與流體(tǐ)之間産(chǎn)生的流(liú)體阻力(li)矩Trf,以及(ji)檢測🔞探(tàn)頭對渦(wō)輪産生(shēng)的電磁(ci)阻力矩(jǔ)Tre,并應有(you)以下平(ping)衡關✂️系(xi):
 
　　由流體(tǐ)力學3可(kě)知,當流(liu)體的流(liú)動處于(yú)湍流狀(zhuang)态時,流(liú)體産生(shēng)的摩擦(cā)力正比(bi)于流速(su)的平方(fāng);當流動(dòng)處于層(ceng)流狀态(tài)時,其摩(mo)擦力正(zheng)比于流(liú)速,所以(yǐ)摩擦力(li)均正相(xiàng)關于流(liu)速。當渦(wō)輪剛啓(qi)動而處(chù)于始動(dong)流量附(fu)近時,顯(xiǎn)然Trf趨近(jìn)于零。故(gu)在分🔞析(xi)始動流(liú)量時可(ke)不.考慮(lü)流體摩(mó)擦産生(sheng)的阻🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力(lì)，而僅考(kao)慮機械(xiè)摩擦和(hé)電磁阻(zu)力即可(kě)。
三、渦輪(lun)的設計(ji)與研究(jiu)
　　渦輪流(liú)量計的(de)流量計(ji)算可采(cai)用式(2):
 
式(shi)中qv一瞬(shun)時流量(liang),m³/s;
F一渦輪(lun)葉片産(chan)生的信(xìn)号頻率(lǜ),Hz;
K一儀表(biao)系數,1/m³'。
　　在(zai)渦輪的(de)設計方(fāng)法中,首(shou)先要考(kǎo)慮的是(shì)盡量保(bǎo).證儀表(biǎo)系數的(de)線性度(du),然後才(cái)能用式(shi)(2)進行流(liu)量計算(suàn)⛹🏻‍♀️。爲了滿(man)足線性(xìng)🌂度的要(yào)求,葉片(piàn)一般設(she)計成按(an)圖1所示(shì)的螺旋(xuan)狀葉⭕片(pian)。在渦輪(lun)的研究(jiu)中,對❤️于(yú)流量計(ji)的信息(xī)處理采(cǎi)用了計(ji)🥰算機技(ji)術,可以(yi)對儀表(biao)系數的(de)⭐非線性(xìng)進行實(shí)時修正(zhèng)。這就給(gei)葉片結(jie)構的設(shè)計提供(gòng)了更廣(guǎng)闊的空(kong)間,即設(she)計時可(ke)以完全(quán)不考慮(lǜ)線性問(wen)題，而隻(zhī)考慮能(neng)産生足(zu)夠大的(de)驅動力(li)矩和盡(jìn)量小的(de)摩擦.力(lì)矩即💋可(ke)。
　　在經過(guo)系列研(yan)究和實(shí)驗之後(hou),渦輪最(zuì)終采用(yong)了由圖(tu)2所示的(de)結構。葉(yè)片類似(si)于風扇(shan)葉片的(de)形狀,傾(qīng)角🔴45°,由0.3mm厚(hou)的不鏽(xiu)鋼🔱薄闆(pan)整體沖(chòng)壓而成(chéng)，葉片數(shù)量爲20片(piàn)。這種形(xíng)✌️狀的葉(yè)片雖然(ran)非線性(xìng)♌較大,但(dàn)重量相(xiang)對較輕(qing),這對于(yu)降低始(shǐ)動流量(liàng)很有好(hao)處,而其(qi)非線性(xing)則㊙️可通(tōng)過單片(piàn)機進行(háng)曲線拟(nǐ)合的方(fāng)法予以(yi)修正。
 
　　由圖(tu)2可以看(kàn)出,這種(zhǒng)渦輪沒(mei)有采用(yong)前後兩(liang)個:軸承(chéng)的結構(gòu),而是采(cǎi)用了單(dan)軸承式(shi)結構。軸(zhou)承采用(yòng)了進口(kou)的微型(xing)滾動♌軸(zhou)承。軸爲(wei)🏃🏻固定不(bu)動,單軸(zhou)承安裝(zhuang)在軸的(de)中間，由(yóu)軸承套(tào)固定葉(ye)片。這種(zhǒng)結構不(bú)僅減少(shao)了軸承(cheng)引人的(de)機械摩(mó)擦,而且(qiě)還克服(fú)了因前(qian)後軸承(cheng)不同心(xin)而産生(sheng)的阻力(li)。另外,這(zhe)種結構(gòu)也有利(li)于軸承(chéng)的防塵(chén),密閉性(xìng)更好。
四(sì)、檢測探(tàn)頭的研(yán)究
　　一般(ban)渦輪流(liú)量計采(cai)用内部(bù)嵌有永(yǒng)久磁鋼(gāng)的線圈(quān)作爲檢(jian)測探頭(tou)。葉片轉(zhuan)動時切(qiē)割磁力(li)線産生(shēng)感生電(diàn)勢,該電(dian)勢耦合(he)到💁線圈(quān)中，在線(xian)圈兩端(duān)可産生(shēng)相應的(de)周期性(xing)變🌍化的(de)感應電(diàn)勢。當渦(wō)輪轉速(su)很低時(shi),可以觀(guān)察♌到它(tā)的轉動(dong)不穩定(dìng)。當葉片(piàn)運動到(dào)磁鋼附(fu)近時,會(hui)出現一(yi)個減速(sù)甚至停(tíng)頓的🈲過(guò)程,這是(shi)由永久(jiǔ)磁鋼對(duì)⛹🏻‍♀️葉片的(de)吸引力(li)即電磁(cí)阻力造(zào)成的,因(yīn)而在研(yán)究渦輪(lun)的💋轉速(sù)特性時(shi),電磁✉️阻(zu)力是一(yī)個必須(xu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻予以重(zhòng)視的問(wèn)題㊙️。
　　檢測(cè)探頭内(nei)部嵌有(yǒu)一個軟(ruan)磁性材(cái)料的線(xian)圈,其工(gōng)作原理(li)是以電(dian)渦流爲(wei)基礎(5]。在(zài)線圈中(zhong)通以高(gao)頻激♌勵(lì)信号,周(zhōu)圍産生(shēng)一個高(gāo)頻交變(biàn)磁場中(zhong)。當葉片(piàn)處于這(zhè)-.磁場中(zhong)時,葉片(pian)中就會(hui)産🌂生電(diàn)渦流。之(zhī)後,該電(dian)渦流會(huì)産生一(yī)個阻🛀🏻礙(ài)高頻交(jiao)變磁場(chang)中變化(hua)的磁場(chǎng),,進而作(zuò)用在線(xian)圈上,對(dui)高頻激(jī)勵信号(hào)的幅度(du)與頻率(lü)予以調(diào)制。經信(xìn)号處理(lǐ)電路,可(kě)反映葉(yè)片的頻(pín)率.變化(huà)。
　　該檢測(ce)過程可(ke)等效爲(wèi),将線圈(quān)和葉片(piàn)看作爲(wei)--個電感(gan)L的原🌏邊(bian)和次邊(bian),L由線圈(quan)的自感(gan)L小、葉片(pian)的自感(gan)Lr以🌐及它(tā)們的互(hu)感M構成(cheng)0)。當葉片(pian)離開線(xiàn)圈時,L中(zhōng)僅存在(zài)L;當葉片(pian)處于線(xiàn)圈位置(zhi)時，由于(yú)互感M的(de)作用,感(gǎn)抗L是🛀變(bian)化的,而(er)L作爲LC振(zhèn)蕩🐆電路(lù)中的✂️電(dian)感元件(jiàn)⚽,它的變(biàn)化将改(gǎi)變振蕩(dàng)電路信(xìn)号的幅(fu)度與頻(pín)率。
　　采用(yong)這一電(diàn)磁激勵(li)結構,由(yóu)于不産(chan)生電磁(ci)引力，因(yīn)🍉此不存(cún)😍在電磁(cí)阻力,即(jí)
Tre=0
五、非線(xiàn)性修正(zheng)的研究(jiū)
　　如前所(suo)述,爲了(le)降低渦(wo)輪的始(shǐ)動流量(liang)qvmin,并降低(dī)儀表系(xi)☀️數K較大(dà)的非線(xian)性，如何(hé)對非線(xiàn)性進行(hang)修正就(jiù)是一個(ge)需要解(jie)決的重(zhòng)要問題(tí)。
　　根據國(guo)家計量(liàng)檢定規(gui)程對速(sù)度式流(liu)量計檢(jian)定點的(de)規定”，檢(jiǎn)💁定點包(bāo)括7個點(dian)，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢(jian)定點的(de)數量是(shi)有限的(de)🔞7個,而流(liu)量計在(zài)使用中(zhong),流量測(ce)量在qmin~qmax範(fàn)圍内爲(wei)任意的(de)💋。這樣,流(liú)量計的(de)檢定點(dian)🆚和非檢(jian)定點就(jiu)會遠遠(yuan)超過7個(ge)。圖3給出(chū)了儀表(biao).系數K與(yǔ)信号頻(pín)率F(或流(liú)量🚶‍♀️q)的典(dian)型非線(xian)性趨勢(shì)。
 
　　顯然(ran)不能再(zài)沿用平(píng)均儀表(biao)系數計(jì)算流量(liàng)的方法(fa),而應該(gai)🔴用🌐式(3)來(lái)計算在(zài)對應頻(pín)率信号(hào)F時的儀(yi)表系數(shu)K,再用式(shì)(2)計算流(liú)量。
K=f(F)(3)
　　該拟(ni)合公式(shi)的具體(tǐ)形式可(ke)用兩種(zhǒng)方法求(qiú)取,即折(shé)線🌈法和(hé)最小二(èr)乘方法(fǎ)。
　　折線法(fǎ)是指将(jiāng)每兩個(ge)相鄰檢(jian)定點用(yong)直線相(xiàng)連接。顯(xian)然,在檢(jiǎn)定點上(shang),其拟合(hé)誤差爲(wèi)零,然而(ér)在非檢(jian)定點.上(shang)具有較(jiào)大誤差(cha)。表1給出(chu)了一組(zǔ)典型的(de)折線法(fa)非線性(xing)修正拟(nǐ)合數據(ju)。
　　拟合誤(wù)差的計(jì)算公式(shì)8]爲:
 
　　從表(biǎo)1可見,在(zài)非檢定(ding)點處的(de)最大拟(ni)合誤差(cha)達到±1.65%。
　　最(zuì)小二乘(chéng)方法得(de)到的是(shi)一條連(lián)續曲線(xiàn),其原則(zé)是🌂使各(ge)🔆檢定點(dian)到該曲(qǔ)線的誤(wù)差平方(fang)和爲最(zui)小。由于(yu)檢定點(dian)上得到(dào)🔞的數據(jù)并🐉非标(biāo)準值,其(qí)本身也(ye)具有一(yī)定的誤(wu)差,而且(qie)實際使(shǐ)用的渦(wo)輪流量(liàng)計K-F特性(xìng)曲線應(ying)該是連(lián)續的、平(píng)滑的,因(yin)此盡管(guǎn)在檢定(ding)點處的(de)拟合誤(wu)差不一(yi)定等于(yu)零,但用(yong)最小二(er)乘方法(fa)得到的(de)連續曲(qu)線應😍該(gai)能更好(hǎo)地反映(ying)K-F關系的(de)本質9]。表(biao)2給✉️出了(le)用最小(xiao)二乘方(fang)法得出(chu)的一組(zu)非線性(xìng)修正拟(nǐ)合誤差(cha)數據。
 
　　由(you)表2可見(jian),最大拟(ni)合誤差(cha)僅爲±0.15%,遠(yuǎn)優于折(shé)線法的(de)拟合誤(wù)差結果(guǒ)。
六.渦輪(lun)流量計(jì)的應用(yòng)
　　儀表樣(yang)機于1998年(nian)在天然(rán)氣和煤(méi)制氣調(diào)壓站進(jin)行了試(shi)驗㊙️運行(hang)。在🌈試驗(yàn)管道上(shàng),均串聯(lian)美國德(de)菜塞儀(yi)器公司(si)的羅👅茨(cí)表氣體(tǐ)流量計(ji)(其精度(du)爲±1%)作爲(wei)标準表(biǎo)⛱️進行了(le)比對。表(biao)3.表4分别(bie)給出了(le)天然氣(qì)和煤制(zhi)氣流量(liàng)計試驗(yan)🤞數據.
 
　　從(cong)試驗結(jie)果可以(yǐ)看出,寬(kuan)量程氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)的計量(liang)💛結果與(yǔ)⭐價格昂(ang)貴的進(jìn)口羅茨(ci)式儀表(biǎo)的計量(liang)💛結果基(ji)本一緻(zhì),該流量(liàng)計可以(yi)用于城(chéng)市燃氣(qì)管網的(de)流量計(ji)量。

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