渦輪流(liú)量計(jì)(以下(xià)簡稱(chēng)流量(liàng)計)是(shì)以流(liú)體動量矩原理爲基(jī)礎的流量(liàng)計量儀表。有些科技(jì)文獻又将(jiāng)其劃分爲(wèi)速度(dù)式儀(yí)表，因爲在一定的(de)流量範(fàn)圍(wéi)内，流量計的(de)轉動速度與流(liú)體的流(liú)速(sù)成比例關系。
　　渦(wō)輪流(liú)量計(jì)使用中的主要(yào)特點：體積(jī)小；重(zhòng)量輕(qīng)；精度高(有的(de)流量計(jì)可以當(dāng)作(zuò)計量(liàng)标準儀表)；反應(yīng)時間快(有(yǒu)些可(kě)達到毫秒級(jí))；量程比(bǐ)寬(一般爲(wèi)10∶1)；壓力損失(shī)小；适用工作(zuò)流體溫(wēn)度高(gāo)；輸出(chū)爲脈(mò)沖信号，故不易(yì)受到幹擾(rǎo)；可以(yǐ)長距(jù)離(lí)傳(chuán)輸，便(biàn)于各種(zhǒng)參數處(chù)理。當它(tā)與(yǔ)多功(gōng)能、多參數(shù)的顯(xiǎn)示儀表(biǎo)(以(yǐ)下簡(jiǎn)稱儀表)組合使用時，可以同時(shí)對(duì)累(lèi)積流量、瞬(shùn)時流量(liàng)或流體(tǐ)溫度(dù)、内(nèi)部(bù)壓力等參數進行測(cè)量及(jí)分析、調節。
1 渦輪流量計的(de)工作過程
　　渦輪流量計通(tōng)常由(yóu)渦輪(機(jī)械部分(fèn))、磁電(diàn)轉換器、放(fàng)大機構(電子部分)等組(zǔ)成。

　　當流(liú)體(tǐ)流經安(ān)裝在管道裏的(de)渦(wō)輪，即流經渦(wō)輪葉(yè)片(piàn)與(yǔ)管道(dào)之間的間隙時，由于流(liú)體的沖(chòng)擊作用，使(shǐ)得渦(wō)輪圍繞(rào)軸心發(fā)生旋轉(zhuǎn)。渦輪(lún)旋(xuán)轉的轉數(shù)與介(jiè)質流體的體積(jī)流量呈現近似的線性關系。再(zài)将渦輪(lún)的(de)旋(xuán)轉(zhuǎn)通過磁電轉換(huàn)器變換(huàn)成(chéng)相對應的(de)電脈沖信(xìn)号，以此脈沖信号經電子放大(dà)機構放(fàng)大(dà)後，即(jí)可輸送顯示儀(yí)表進行多參數(shù)物理(lǐ)量的指示(shì)。
　　由前可知，在測量範圍内，渦輪(lún)的轉(zhuǎn)速(sù)與(yǔ)流量成正(zhèng)比，而(ér)信号(hào)的脈沖(chòng)數(shù)則與(yǔ)渦輪的轉速成(chéng)正比。所(suǒ)以，檢測(cè)出信(xìn)号脈沖總(zǒng)數以後，除以儀(yí)表常數ξ(次(cì)/升)，便(biàn)可計算得(dé)到該(gāi)段時間内的介(jiè)質流體(tǐ)總量 v(升(shēng))，即：
v＝n/ξ(l)　　　　(1)
舉(jǔ)一例：流量(liàng)計ξ爲 180 次(cì)/l，用(yòng)儀器測出在10,min 内(nèi)儀表(biǎo)計算得的脈沖數爲(wèi) 7,200 次(cì)，則(zé) 10,min内管道中流過流體的總(zǒng)量(liàng)爲(wèi)：
v＝n/ξ＝7200 次/180 次(cì)/l＝40l
2 渦輪旋轉的基(jī)本原理
　　渦輪流(liú)量計(jì)主要組件(jiàn)包括：導流體組(zǔ)件、渦輪組件、殼(ké)體、磁(cí)電轉換器(qì)和放大機構等(děng)。通過對流體流(liú)過管道及(jí)渦輪(lún)結構的分析，我(wǒ)們可以(yǐ)得出，當流體(tǐ)沿管道的(de)軸線方向(xiàng)流動而沖擊渦輪葉(yè)片時，便有(yǒu)與流(liú)量 q、密度φ和流速(sù) v 的乘積成比例(lì)的力(lì)作用于葉(yè)片上(shàng)，推動(dòng)渦輪(lún)旋轉。

　　如圖(tú) 2 所示(shì)，由于(yú)渦輪對流(liú)體是作相(xiàng)對(duì)運(yùn)動，如果渦輪旋(xuán)轉的(de)圓周(zhōu)速度(dù) v＝w·r 與軸線平行的(de)流速(sù)與葉片的(de)夾角(jiǎo)爲θ，流(liú)通面積爲 a，則介質流速 v＝q/a，則(zé)推動渦輪(lún)旋(xuán)轉(zhuǎn)的力矩 m 可用下(xià)式表示(shì)：
m＝k1·tgθ·rρq2/a–ωr2ρq　　　　(2)
　　式中：k1——與(yǔ)流量(liàng)計結(jié)構尺(chǐ)寸(cùn)、流體質量、狀(zhuàng)态有(yǒu)關的參數(shù)；r——平均半徑，常取(qǔ)葉片寬(kuān)度 1/2 到中心的距離。
由(2)式可(kě)知，力矩 m 除與(yǔ)流量 q 有關外，與流體介(jiè)質密度ρ、流動狀态(tài)與流(liú)向等(děng)多(duō)個因素(sù)有關(guān)。
　　在渦(wō)輪旋轉時，除推動(dòng)渦(wō)輪旋轉(zhuǎn)的(de)轉動力矩 m外，還同時(shí)存在阻礙渦輪(lún)旋轉(zhuǎn)的(de)阻(zǔ)力矩(jǔ)，其中包(bāo)括(kuò)：介質(zhì)粘度(dù)對(duì)渦(wō)輪摩擦引起的(de)阻力(lì)矩 m1，軸承摩擦引(yǐn)起(qǐ)的阻力矩 m2，磁(cí)電轉換器引起的磁電(diàn)反應阻力矩m3。根(gēn)據動量(liàng)矩守恒原理，渦輪的運動(dòng)方程(chéng)式可以用(yòng)以下函數(shù)關系(xì)式表(biǎo)示：
jdω/dt＝m－m1－m2－m3　　　(3)
　　式(shì)中：j——渦(wō)輪的(de)轉動慣量；dω/dt——渦輪的角加(jiā)速度。
　　由(yóu)(3)式可(kě)知，當 dω/dt 爲(wèi)零(líng)時，渦輪(lún)以(yǐ)角速度ω作勻(yún)速(sù)轉動；當流量發(fā)生變(biàn)化時，dω/dt≠0，渦輪将作(zuò)加速(sù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，經過(guò)一段時間(jiān)後，随着流量的(de)穩定，渦輪又會達(dá)到新的(de)力矩平衡狀态，即 dω/dt 又(yòu)等于零值。就是說，渦(wō)輪将(jiāng)以另(lìng)一新(xīn)的(de)角(jiǎo)速度(dù)勻(yún)速旋(xuán)轉，以适(shì)應新(xīn)的流量，并(bìng)出現了新(xīn)的穩(wěn)定狀(zhuàng)态。
　　通過分(fèn)析和(hé)計算(suàn)可知(zhī)，在 dω/dt＝0 時，渦輪(lún)轉動角速(sù)度ω與體積(jī)流量 q 有如下式的近似關系：
ω＝ξq－ξa　　　(4)
　　式(shì)中：a——與(yǔ)流量計結(jié)構參(cān)數、流體介(jiè)質、流(liú)動狀(zhuàng)态(tài)有關的(de)系(xì)數(shù)；ξ——流量(liàng)計轉換(huàn)系(xì)數，當(dāng)介質(zhì)流量大于(yú)某(mǒu)一(yī)數值(zhí)時，在(zài)一段(duàn)區間(jiān)内可以近似看作爲一常數，有時也(yě)稱爲儀表常數(shù)。
　　儀表常(cháng)數ξ是流(liú)量計重(zhòng)要的特(tè)性參(cān)數，由于流(liú)量計(jì)是通過磁(cí)電轉換器将角(jiǎo)速(sù)度(dù)ω 轉(zhuǎn)換成相(xiàng)應的脈沖(chòng)數，因而我們可(kě)以把ξ看成是(shì)單位體(tǐ)積流(liú)量 q 通(tōng)過流(liú)量計(jì)時，轉(zhuǎn)換器(qì)輸出的脈(mò)沖數(shù)(脈沖數/升)，故也(yě)稱爲流量(liàng)系數(shù)。流量(liàng)計作爲産(chǎn)品出(chū)廠(chǎng)時，生産單位(wèi)則(zé)是測(cè)取(qǔ)測量範圍(wéi)内的(de)轉換系數平均(jun1)值作爲(wèi)儀(yí)表常數(shù)，因而可(kě)以認(rèn)爲流(liú)體總量 v 與(yǔ)脈沖(chòng)數 n 的關系(xì)，如(5)式所示：
v＝n/ξ　　　(5)
3 磁電轉換(huàn)器的工作(zuò)過程
磁電(diàn)轉換(huàn)器工(gōng)作時如圖(tú) 3 所示(shì)。
　　當(dāng)流體通(tōng)過渦(wō)輪(lún)葉片時(shí)，渦輪 5 将發(fā)生旋轉運動，葉輪片(piàn) 4 将周期性切割磁鋼(gāng) 1 而産生磁(cí)力線(xiàn) 3，從而改變(biàn)通過(guò)線圈 2 的磁(cí)通量(liàng)，根據電磁感應原(yuán)理，在(zài)線(xiàn)圈内将感(gǎn)應出脈動(dòng)的(de)電勢信(xìn)号。不(bú)難理(lǐ)解，脈動電勢信号的(de)頻率與渦輪旋(xuán)轉的(de)角速(sù)度ω成正比，即與(yǔ)被測(cè)介質的流量 q 成正(zhèng)比。通(tōng)過(guò)放大(dà)機構(電子部分)将上述脈(mò)沖信号放大到 1v 左右脈沖電壓(yā)，傳送(sòng)給顯(xiǎn)示(shì)儀表，即(jí)可顯示出(chū)被測介質的流(liú)量數據。

4 渦輪(lún)流量(liàng)計(jì)顯示儀(yí)表工(gōng)作原(yuán)理
　　根(gēn)據我(wǒ)們對流量(liàng)計工作原理的(de)分析和探讨，得(dé)知流量(liàng)計(jì)輸(shū)出的信号是(shì)電脈(mò)沖數，因(yīn)此(cǐ)儀表(biǎo)就是(shì)将(jiāng)單位時間的輸出脈沖(chòng)和輸(shū)出脈沖(chòng)的(de)總數轉換(huàn)成瞬時流(liú)量和流體(tǐ)總量，并把以上數據進行分析(xī)後通(tōng)過數字量(liàng)顯示(shì)。因而(ér)儀表(biǎo)的組成可以用(yòng)圖 4 所(suǒ)示的方框圖表(biǎo)示：

4.1 瞬時(shí)流量(liàng)指示
　　瞬時流量指示(shì)的實(shí)質，就是對(duì)瞬(shùn)時(shí)頻率、脈沖(chòng)信号(hào)的(de)指(zhǐ)示(shì)，是(shì)将信(xìn)号(hào)處理後(hòu)的頻率、脈沖線性地轉換(huàn)成直流電信号而指(zhǐ)示相應(yīng)的流量(liàng)參數。如果(guǒ)是模(mó)拟儀表(biǎo)，标尺常(cháng)以頻率(hz)數值分(fèn)度，指示的頻率(lǜ)值 f除以(yǐ)流(liú)量計儀表常數ξ就能(néng)夠得(dé)到(dào)瞬時體積流(liú)量值(zhí)q。如圖(tú) 5 所示的頻率瞬時指示(shì)原理方(fāng)框圖。

　　經過整形後的(de)輸入頻(pín)率(脈沖)作用于(yú)計(jì)算電(diàn)路的輸入(rù)端 t，使(shǐ)電路中交替出現截(jié)止或導通(tōng)兩種(zhǒng)狀态(tài)，放大器輸出(chū)端脈沖波形被(bèi)整形，與(yǔ) t 的波(bō)形相反，當(dāng)放大電(diàn)路出現(xiàn)截止狀(zhuàng)态時，電(diàn)源 e 通過外圍電(diàn)路(或集成内部(bù))在儲能電容 c 中(zhōng)預存電荷(hé)；當放(fàng)大電(diàn)路出現導通狀态(tài)時，c 預存(cún)的電荷通過外(wài)圍電路(或集成(chéng)内(nèi)部(bù))迅速(sù)釋放(fàng)。就這樣輸入的(de)頻率(lǜ)(脈(mò)沖(chòng))經過(guò)電子電路(lù)改變(biàn)爲與之相(xiàng)對應(yīng)的電流信(xìn)号。電(diàn)路裏的電流指(zhǐ)示儀表(biǎo) 4 即刻顯(xiǎn)示該(gāi)計(jì)量電流(liú)值 i 的(de)多少，i＝q/t，而 q＝c·e，f＝1/t(q 爲(wèi)一(yī)個(gè)脈沖周期(qī)電容所充(chōng)電(diàn)荷量；c 爲(wèi)電(diàn)容量；e 爲電源電壓值；f 爲(wèi)充放(fàng)電頻率)。合(hé)并三(sān)式可得到(dào)公式(6)：
i＝c·e·f　　　(6)
　　由(yóu)公式(6)可(kě)知，當電源(yuán)電壓(yā) e 和電容量(liàng) c 爲常(cháng)數時(shí)，電流 i 與輸入脈(mò)沖的頻率(lǜ) f 成正比，當更改外圍(wéi)電(diàn)路(lù)(或集成内(nèi)部(bù))儲存電荷的(de)電容 c(1～n)參數或連接方式以(yǐ)及改變電路數據時，就(jiù)可以得(dé)到不同(tóng)介質的(de)流量(liàng)測量範圍(wéi)。在有些流量計(jì)結構中，爲(wèi)了便(biàn)于檢(jiǎn)查指(zhǐ)示儀(yí)表是否工作正(zhèng)常，在放(fàng)大(dà)器輸(shū)入端設置(zhì)有自檢電(diàn)路(lù)裝(zhuāng)置。它(tā)将振蕩器産生(shēng)的恒(héng)定頻率脈沖信(xìn)号送入後置電路(lù)，實現自(zì)動檢測工作正(zhèng)常與否的目的。
4.2 總量積(jī)算
　　前述(shù)我們(men)介(jiè)紹(shào)了流(liú)量(liàng)計工作原理(lǐ)，通常還要計量(liàng)在一定時(shí)間範圍内，流(liú)量計流(liú)過介(jiè)質的體積(jī)或(huò)質量的累積(jī)量，因此顯(xiǎn)示儀表具(jù)有(yǒu)累積計(jì)算功(gōng)能。下面我(wǒ)們根(gēn)據流(liú)量計(jì)實際工況對一(yī)種累積(jī)值計算(suàn)方法的實現進行分析(xī)。
圖 6 爲一種應(yīng)用除法方(fāng)案進(jìn)行累積計(jì)算的組(zǔ)成(chéng)原理圖。

　　由圖(tú) 6 可(kě)知，此(cǐ)積算器構成(chéng)中包括了(le)整形、累(lèi)積(jī)脈沖(chòng)計數(shù)、系(xì)統設定(dìng)、總量積算、軟件數據的控制等(děng)。其 4 個輸出(chū)端分别與四層(céng)波段開關(guān)的各(gè)層相(xiàng)連，通(tōng)過軟件控(kòng)制(zhì)，組成了系統設定(dìng)器。根據(jù)流量計(jì)系數(shù)ξ的值，可以(yǐ)在(zài) 0～9,999(其他參(cān)數也(yě)可以)之間(jiān)任(rèn)意選擇設定(dìng)系數。
　　由放(fàng)大(dà)電路機(jī)構輸(shū)出的脈沖信号(hào)，經整形處(chù)理(lǐ)後，成爲(wèi)具有一定(dìng)幅值(zhí)和能(néng)滿(mǎn)足前(qián)沿(yán)要求的脈沖信号，将此信号轉入換(huàn)算電路機(jī)構，它每輸出一(yī)個脈沖信(xìn)号便拖動(dòng)計數電路(lù)機構統計一個(gè)數碼(mǎ)參數，同時(shí)軟件功能(néng)即可(kě)識别(bié)紀錄出(chū)一個數(shù)字量，表明已經有一個單(dān)位介(jiè)質體(tǐ)積的(de)流量流過(guò)流量(liàng)計。此時(shí)換算電(diàn)路單元輸出的信号直接(jiē)改變(biàn)觸發(fā)穩态(tài)電路(lù)，使各(gè)計數參數(shù)值恢複(fú)到起始的“零”狀态(tài)，重複此過程(chéng)即完成(chéng)了累(lèi)積(jī)脈沖的(de)積(jī)算，就(jiù)是對累(lèi)積流量介(jiè)質(zhì)的(de)積算。
　　例如：口徑(jìng)爲 80,mm 的流(liú)量(liàng)計，流(liú)量系(xì)數ξ爲16.25 脈沖/升，通過軟(ruǎn)件将(jiāng)系數設(shè)定分(fèn)别(bié)置于(yú) 1、6、2、5，則(zé)每當計數器(qì)收到 1,625 個脈(mò)沖信号的(de)瞬時(shí)，軟件(jiàn)操作發出(chū)指令并輸出一個固(gù)定頻率信(xìn)号，使電路(lù)狀态(tài)發生(shēng)變(biàn)化，使計(jì)數(shù)電(diàn)路結構統(tǒng)計一(yī)個計量單(dān)位，從而實現了(le)逢 k 進一的(de)累計(jì)運算，顯示儀表(biǎo)就能(néng)夠顯示出(chū)流體介質(zhì)總量。
　　通過上例分析(xī)可知，如果流量(liàng)計輸(shū)送到顯示(shì)儀表的脈沖總(zǒng)數爲 n，經換算後，送到(dào)總(zǒng)量(liàng)積算器的脈(mò)沖數爲(wèi) nc，則流體介質計(jì)量總量爲：
v＝n/ξ＝n/ξ·10m/10m＝n/k·10m　　(7)
　　式中(zhōng)：k 爲設定系數(shù)，(k＝10m·ξ)；m 爲(wèi)整數。
　　本除(chú)法方(fāng)案設定系(xì)數的(de)方式(shì)較(jiào)爲簡單，穩(wěn)定性比較好(hǎo)，電路(lù)容易實現(xiàn)，可以直接(jiē)将流(liú)量系(xì)數ξ 輸入軟(ruǎn)件中，控制系數設定器，積算器(qì)就可以逢(féng) k 進(jìn)一，顯示(shì)儀表指示(shì)出流體介質總(zǒng)量。
5 結(jié)束語
　　本文(wén)對渦輪流量計(jì)流量(liàng)計和儀表(biǎo)的工作原理進行了分析(xī)，總結(jié)了其(qí)工(gōng)作過程。重點對(duì)參數設(shè)定方法、電(diàn)路組(zǔ)成及(jí)作(zuò)用(yòng)等進(jìn)行了說明(míng)。文章對測(cè)量不同介(jiè)質狀态下(xià)選擇(zé)流量計以及使用方法和(hé)過程(chéng)調試(shì)具(jù)有一定(dìng)提示。

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