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