渦(wo)輪流量計(以(yi)下簡稱流量(liang)計)是以流體(tǐ)動量矩原理(li)爲基礎的流(liu)量計量儀表(biao)。有些科技文(wen)獻又将其劃(huà)分爲速度☎️式(shi)儀表，因爲在(zai)一定的流💃🏻量(liang)範圍内，流量(liang)計的轉動速(sù)度與流體的(de)流速成😄比例(li)關系。
　　渦輪流(liú)量計使用中(zhōng)的主要特點(dian)：體積小；重量(liàng)輕；精度高💃(有(yǒu)的流量計可(kě)以當作計量(liàng)标準儀表)；反(fǎn)應時間快(有(yǒu)些可達🌐到毫(hao)秒級✊)；量程比(bi)寬(一般爲10∶1)；壓(ya)力損👈失小；适(shi)用工作流體(ti)溫度高；輸出(chu)爲脈✉️沖信号(hào)，故不易受到(dao)幹擾；可以長(zhang)距離傳輸，便(biàn)于各種參數(shu)處理。當它與(yǔ)多功能、多參(cān)數的顯示儀(yí)表(以下簡稱(cheng)儀表)組合使(shǐ)用時，可以同(tong)時對累積流(liu)量、瞬時流量(liàng)或流體溫度(dù)、内部壓力等(deng)參數進行測(cè)量及分析、調(diào)節。
1 渦輪流量(liang)計的工作過(guò)程
　　渦輪流量(liàng)計通常由渦(wō)輪(機械部分(fen))、磁電轉換器(qi)、放大機構(電(dian)💘子部分)等組(zǔ)成。

　　當(dāng)流體流經安(ān)裝在管道裏(lǐ)的渦輪，即流(liú)經渦輪葉片(pian)與管道之間(jian)的間隙時，由(you)于流體的沖(chong)擊作用，使得(de)渦輪圍繞軸(zhóu)心發🤞生旋☎️轉(zhuǎn)。渦輪旋轉的(de)轉數與介質(zhì)流體的體積(jī)🔱流量呈現近(jìn)似的線性☎️關(guān)系。再将渦輪(lún)的旋轉通過(guò)磁電轉換器(qi)變換成相對(duì)應的電脈❗沖(chòng)信号，以此脈(mo)沖信号經電(diàn)子放大機構(gòu)放大後，即❓可(kě)輸送顯示儀(yi)表進行多參(can)數物理量的(de)指示。
　　由前可(kě)知，在測量範(fàn)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(chū)信🔞号脈沖總(zong)數以後，除以(yǐ)儀表常數ξ(次(ci)/升)，便可計算(suan)得到該🏒段時(shí)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(yong)儀器測出在(zài)10,min 内儀表計算(suan)得的脈沖🚩數(shu)爲 7,200 次，則 10,min内管(guan)道中流過流(liú)體的總量爲(wei)：
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(liàng)計主要組件(jian)包括：導流體(tǐ)組件、渦輪組(zǔ)件、殼體、磁電(dian)轉換器和放(fang)大機構等。通(tōng)過對流體流(liu)過管道💁及渦(wō)輪結構的🐉分(fen)析，我們可以(yi)得出，當流體(ti)沿管道的軸(zhóu)線方向流動(dong)👉而沖擊渦輪(lun)葉片時，便有(yǒu)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(tú) 2 所示，由于渦(wo)輪對流體是(shì)作相對運動(dong)，如果渦輪旋(xuan)轉的🍓圓周速(su)度 V＝w·r 與軸線平(ping)行的流速與(yǔ)葉片的夾角(jiǎo)爲θ，流通面🏃‍♀️積(jī)爲 A，則介質流(liú)速 V＝Q/A，則推動渦(wo)輪旋轉的力(lì)矩 M 可用下式(shì)表示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中：K1——與(yu)流量計結構(gou)尺寸、流體質(zhì)量、狀态有關(guān)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(ju) M 除與流量 Q 有(yǒu)關外，與流體(tǐ)介質密度✔️ρ、流(liú)動狀态與流(liú)向等多個因(yin)素有關。
　　在渦(wo)輪旋轉時，除(chu)推動渦輪旋(xuán)轉的轉動力(lì)矩 M外，還同時(shí)存在阻礙渦(wo)輪旋轉的阻(zǔ)力矩，其中包(bāo)括：介質粘度(dù)對渦輪摩☎️擦(cā)引起的阻力(li)矩 M1，軸承摩擦(cā)引起的⛷️阻力(li)矩 M2，磁電轉♍換(huan)器引起的磁(ci)電反應阻力(lì)矩M3。根據動量(liang)矩守恒原理(li)，渦輪的運動(dong)方程式可以(yi)用以下㊙️函數(shù)關系式表示(shì)：
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(zhī)，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(sheng)變化時，dω/dt≠0，渦輪(lún)将作加速旋(xuan)轉運動，經過(guò)一段時間後(hou)，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(yu)🤞零值。就是說(shuo)，渦輪将以另(ling)一🧡新的角速(sù)度勻速旋轉(zhuǎn)，以适應新的(de)流量，并出現(xian)了新的穩定(dìng)狀态。
　　通過分(fen)析和計算可(ke)知，在 dω/dt＝0 時，渦輪(lun)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(dong)狀态有關的(de)系⭐數；ξ——流量計(ji)轉換系數，當(dāng)介質流量大(dà)于某一數值(zhí)時，在一段區(qū)間内可以近(jin)似看作爲一(yī)常數，有時也(yě)稱爲儀表常(chang)數。
　　儀表常數(shù)ξ是流量計重(zhòng)要的特性參(can)數，由于流量(liang)計是通過磁(ci)電轉換器将(jiāng)角速度ω 轉換(huan)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(guò)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(shí)，生産單位則(ze)是測取測量(liang)範圍内的轉(zhuǎn)換🔴系數平均(jun)值作爲儀表(biǎo)常📱數，因而可(ke)以認爲流體(ti)總量 V 與脈沖(chòng)數 N 的關系🔞，如(ru)(5)式所示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電(dian)轉換器的工(gōng)作過程
磁電(dian)轉換器工作(zuo)時如圖 3 所示(shì)。
　　當流體通過(guo)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(gāng) 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(jù)電磁感應原(yuán)理，在線圈内(nei)将感應✔️出脈(mo)動的電勢🚶信(xìn)号。不難理解(jiě)，脈動電勢信(xin)号的頻率與(yu)渦輪旋🔞轉的(de)角速度ω成正(zheng)比，即與被測(cè)介質的流量(liang) Q 成正比。通過(guò)放大機構(電(dian)子部分)将上(shàng)述脈沖信号(hào)🈚放大到 1V 左右(you)脈沖電壓，傳(chuán)送給顯示儀(yi)🌐表，即可顯示(shi)出被測介質(zhì)🍓的流量數據(ju)。

4 渦輪流量計(ji)顯示儀表工(gōng)作原理
　　根據(jù)我們對流量(liàng)計工作原理(li)的分析和探(tàn)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(shu)轉換成㊙️瞬時(shi)流量和流體(ti)總量，并把以(yǐ)上數據進行(háng)分析後通過(guo)數字量顯示(shi)。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(xìn)号處理後的(de)頻率、脈沖線(xian)性地轉換成(chéng)直流電信号(hao)🔴而指🈲示相應(ying)的流量參數(shu)。如果是模拟(nǐ)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(biǎo)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(shi)原理方框圖(tu)。

　　經過整形(xing)後的輸入頻(pín)率(脈沖)作用(yong)于計算電路(lù)的輸✌️入端 T，使(shi)💔電🛀🏻路中交替(ti)出現截止或(huo)導通兩種狀(zhuàng)态，放大器輸(shu)出端脈沖💛波(bo)形被整形，與(yu) T 的波形相反(fan)，當放大電🤟路(lù)出現🐪截止狀(zhuàng)态時，電源 E 通(tong)過外圍電路(lu)(或集成内部(bù))在儲能電容(rong) C 中預存電荷(he)；當放大電路(lu)出現導通狀(zhuàng)态時，C 預存的(de)電荷通過外(wai)圍✨電路(或集(ji)成内部)迅速(sù)釋放。就這樣(yang)輸入的頻率(lü)(脈沖)經過電(diàn)子電路改變(bian)爲與之相對(dui)應的電流信(xìn)号。電路裏的(de)電流指示儀(yí)表 4 即刻顯示(shi)該計量電流(liu)值🤟 I 的多少，I＝q/T，而(ér) 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(wei)充放電頻率(lǜ))。合并三式可(kě)得到公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由(yóu)公式(6)可知，當(dang)電源電壓 E 和(hé)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(wéi)電路(或集成(cheng)内部)儲🙇‍♀️存電(dian)荷的電容 C(1～n)參(can)數或連接方(fāng)式以及改變(bian)電路數據時(shi)，就可以得到(dao)不同介質的(de)流量測量範(fan)圍。在有些流(liú)量計結構中(zhōng)，爲了便于檢(jiǎn)查指示儀表(biǎo)是否工作正(zheng)常，在放大器(qi)輸入端設置(zhi)有自檢電路(lu)裝置。它将振(zhen)蕩器産生的(de)恒定頻率脈(mo)沖信号送入(rù)後置電路，實(shi)現自動檢🐅測(cè)工作正常與(yǔ)否的目的。
4.2 總(zong)量積算
　　前述(shù)我們介紹了(le)流量計工作(zuò)原理，通常還(hái)要計量在一(yi)定時間範圍(wéi)内，流量計流(liú)過介質的體(ti)積或質量的(de)累積量，因此(ci)顯示儀表具(ju)有累積計算(suan)功能。下面我(wǒ)們根據流量(liang)計實際工況(kuàng)對一種累積(jī)值計算方法(fǎ)的實現進行(hang)分💛析。
圖 6 爲一(yi)種應用除法(fǎ)方案進行累(lèi)積計算的組(zǔ)成原理圖。

　　由(yóu)圖 6 可知，此積(jī)算器構成中(zhōng)包括了整形(xing)、累積脈沖計(ji)數、系統設定(ding)、總量積算、軟(ruan)件數據的控(kòng)制等。其 4 個輸(shū)出端分别與(yǔ)四層波段開(kai)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(kě)以在 0～9,999(其他參(cān)數也可以)之(zhī)間任意選擇(ze)設定系數。
　　由(yóu)放大電路機(jī)構輸出的脈(mo)沖信号，經整(zheng)形處理後，成(chéng)爲🐪具有一定(ding)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(chong)信号便拖動(dòng)計數電💔路機(ji)構統計一個(gè)數碼參數，同(tóng)時軟件功能(néng)即可識别紀(jì)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(shi)換算電路單(dān)元輸出的信(xìn)号直接改變(bian)觸發穩态電(diàn)路，使各計數(shù)參數值恢複(fú)到起始的“零(ling)”狀态，重複此(ci)過程即完成(cheng)了累🐉積脈沖(chong)的積算，就㊙️是(shì)對累積流量(liàng)介質的🏃🏻積算(suàn)。
　　例如：口徑爲(wèi) 80,mm 的流量計，流(liu)量系數ξ爲16.25 脈(mò)沖/升，通過軟(ruǎn)⛱️件将系🥵數設(shè)定分别置于(yu) 1、6、2、5，則每當計數(shù)器收到 1,625 個脈(mo)沖信号的瞬(shùn)時，軟件操作(zuò)發出指令并(bing)輸出一個固(gù)定頻率信号(hào)，使電路狀态(tài)發生變化，使(shi)計數電路結(jié)構統計一個(ge)計量單位，從(cóng)而實🐕現了逢(féng) K 進☂️一的累計(jì)運算，顯示儀(yí)表就能夠顯(xian)示出流體介(jie)質總量。
　　通過(guò)上例分析可(kě)知，如果流量(liang)計輸送到顯(xian)示儀表的脈(mo)沖總數爲 N，經(jīng)換算後，送到(dào)總量積算器(qì)的脈沖數爲(wei) Nc，則流🚶‍♀️體介質(zhi)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(shu)。
　　本除法方案(an)設定系數的(de)方式較爲簡(jian)單，穩定性比(bǐ)較好，電路容(róng)易實現，可以(yǐ)直接将流量(liàng)系數ξ 輸入軟(ruan)件中，控制系(xi)數設定器，積(jī)算器就可以(yǐ)逢 K 進一，顯示(shì)儀表指示出(chū)流體介質總(zǒng)量。
5 結束語
　　本(ben)文對渦輪流(liu)量計流量計(ji)和儀表的工(gong)作原理進行(háng)了分🧡析，總㊙️結(jié)了其工作過(guo)程。重點對參(can)數設定方法(fa)、電路組成及(ji)作用等進🈲行(hang)了說明。文章(zhang)對測量不♉同(tóng)介質狀态下(xià)選擇流💛量計(jì)以💋及使用方(fāng)法和過程調(diao)試具有一定(dìng)提示。

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