摘要：介紹了一種(zhǒng)國産寬量(liàng)程氣(qì)體渦(wō)輪流量(liàng)計(jì) 的工(gōng)作原(yuán)理及渦輪(lún)的設計思(sī)想，闡述了零阻(zǔ)力信(xìn)号檢測法(fǎ)和儀(yí)表系數的非線(xiàn)性修正法,并給出了室内檢定(dìng)和工(gōng)業(yè)現場的(de)試驗數據。檢定(dìng)結果表(biǎo)明，該流(liú)量計(jì)與進口設備的計量結果基本一(yī)緻。目前(qián)這種(zhǒng)國産流量(liàng)計(jì)已開始(shǐ)投入(rù)實際(jì)應用。
一、流量計概述
　　近年來,随着(zhe)各行業對成本核算、貿易(yì)往來(lái)、節約能(néng)源、自動控制等(děng)工作的重(zhòng)視,用(yòng)戶對流(liú)量測量(liàng)的需(xū)求日益增(zēng)多,同(tóng)時對流量(liàng)計的測量精度(dù)、量程比、适用介(jiè)，質等技(jì)術指标提出了越來越(yuè)高(gāo)的要求(qiú)。由于(yú)城市燃氣管網(wǎng)遍布于整(zhěng)個城(chéng)市,考(kǎo)慮到供氣(qì)安全、管道的沿(yán)程壓(yā)力損失等(děng)問題，管道(dào)中的(de)介質(zhì)(液化(huà)天然(rán)氣、煤制氣)一般(bān)壓力(lì)較低、流速不(bú)高(gāo),因(yīn)此其流(liú)量測(cè).量有(yǒu)固(gù)有的特殊性(xìng)。另外(wài),因爲用氣高峰和低谷時(shí)的管道内(nèi)流量差距(jù)非常(cháng)大,所(suǒ)以需(xū)要一種量程寬、測量下限(xiàn)低的(de)流量(liàng)測量儀表。目前,國内(nèi)外寬(kuān)量程氣體(tǐ)流量(liàng)計主要有以下(xià)幾種。
(1) 腰(yāo)輪式(羅茨式)氣體流量(liàng)計 .這是(shì)一種體(tǐ)積式測(cè)量儀(yí)表,具有測(cè)量下限(xiàn)低、量(liàng)程寬(kuān)、精度(dù)高、與(yǔ)介質物性(xìng)參數關系不緊密等優點。但對氣體(tǐ)的(de)潔(jié)淨程(chéng)度要求較(jiào)高,使(shǐ)用中(zhōng)需要(yào)加裝(zhuāng)過濾(lǜ)裝置(zhì),并需(xū)要經常清(qīng)洗。
(2) 熱(rè)式氣(qì)體質量流(liú)量計 。該流(liú)量計是利(lì)用(yòng)氣體傳熱(rè)性(xìng)能與其質(zhì)量流(liú)量(liàng)的關系(xì)測量流量(liàng),可測(cè)量很.低的流速(sù),具有(yǒu)較寬的測(cè)量範圍,并具有(yǒu)一定的抗(kàng)雜質(zhì)能力,是(shì)近(jìn)年來(lái)發展很快的一(yī)-種流(liú)量計。但由于其工作(zuò)原理的局限性，易受(shòu)氣體成分(fèn)變化(huà)的影響，因(yīn)此隻(zhī)适用于成分比較穩(wěn)定的(de)氣體(tǐ)流量測量(liàng)。.
(3) 渦輪(lún)氣體(tǐ)流量計 。該流量計是(shì)利用(yòng)葉輪(lún)在氣體推(tuī)動下(xià)的轉動來(lái)測量氣體的流量,具有一定的(de)抗雜(zá)質(zhì)能力,并(bìng)且不受(shòu)氣(qì)體成(chéng)分(fèn)變化的影響(xiǎng)。該種流量計在(zài)國外使用較多(duō),而國産(chǎn)渦輪流(liú)量計由于其流量(liàng).下限較高,因(yīn)此很(hěn)少在城市(shì)燃氣管(guǎn)網(wǎng)上使(shǐ)用。
　　國内生産的氣體渦輪(lún)流量(liàng)計技術指标爲(wèi)， 滿管(guǎn)式渦輪流量計 的流速測(cè)量範圍爲(wèi)4~26m/s,精度(dù)爲±1.5%;插(chā)人式渦輪(lún)流量計的流速(sù)測量(liàng)範圍爲3~15m/s,精(jīng)度爲±2.5%。
　　與國外同(tóng)類産品(pǐn)相比,國(guó)内産品在流速測量的下(xià)限這(zhè)一指标上具有較大的差距,而(ér)這一指(zhǐ)标(biāo)在城(chéng)市燃(rán)氣管網的(de)流量測量(liàng)中極(jí)爲重要。
　　爲提高渦輪流(liú)量(liàng)計的(de)量程(chéng)比和擴展(zhǎn)其測量下(xià)限,研(yán)制出(chū)了(le)一種寬(kuān)量程、低流(liú)速氣(qì)體的渦輪流量(liàng)計。這種渦輪流量計的精度在(zài)qmin~0.2qmax時爲±2%,在0.2qmax~qmax時(shí)爲±1.5%,流(liú)速測量範(fàn)圍爲(wèi)0.3~10m/s.這種流量(liàng)計爲(wèi)插人式結構,适(shì)用于(yú).φ100~200口(kǒu)徑的管(guǎn)道,并具有維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。
二、渦輪(lún)流(liú)量計工(gōng)作原理
　　渦輪流量計(jì) 的工(gōng)作原(yuán)理示意圖(tú)如圖(tú)1所示。在管道中(zhōng)心安放一(yī)個渦(wō)輪,流體(tǐ)通過時(shí)沖擊渦(wō)輪葉片(piàn),對渦輪産生驅(qū)動力(lì)矩,使渦輪克服(fú)摩擦(cā)力矩(jǔ)和流(liú)體(tǐ)阻力矩而産(chǎn)生(shēng)旋轉,其(qí)旋轉角速(sù)度與流體流速正(zhèng)相關。由檢測探頭(tóu)檢測出(chū)葉(yè)片轉(zhuǎn)動頻(pín)率,輸入流量(liàng)顯(xiǎn)示.積算儀(yí)得到(dào)瞬(shùn)時流量(liàng)和累計流量。
 
　　爲(wèi)适應城市燃(rán)氣管(guǎn)網的(de)流量(liàng)測量要(yào)求(qiú),應盡(jìn)量拓寬(kuān)流量測(cè)量的下限,即盡量降低(dī)渦輪流(liú)量計的始動流量qmin.建立了(le)一種(zhǒng)渦輪流量計的(de)理.論(lùn)模型。在流(liú)體處于定(dìng)常流(liú)狀态(tài)時,渦(wō)輪在(zài)流體的驅(qū).動力(lì)矩t,作用下轉動(dòng)，阻力(lì)矩包(bāo)括軸(zhóu)與軸(zhóu)承之(zhī)間摩(mó)擦産(chǎn)生(shēng)的機械(xiè)摩擦(cā)阻力矩trm.渦輪與流體之間(jiān)産生的流體阻(zǔ)力矩trf,以及檢測探頭對渦輪(lún)産(chǎn)生的電磁(cí)阻力(lì)矩tre,并(bìng)應有以下(xià)平衡(héng)關系:
 
　　由流(liú)體力學3可(kě)知,當(dāng)流體(tǐ)的流動(dòng)處于湍(tuān)流狀态時,流體産生的摩(mó)擦力正(zhèng)比于流(liú)速(sù)的平方;當流(liú)動處(chù)于(yú)層流狀(zhuàng)态時,其摩(mó)擦力(lì)正比(bǐ)于(yú)流速,所(suǒ)以摩(mó)擦(cā)力(lì)均正相關(guān)于流速。當(dāng)渦輪(lún)剛啓動而(ér)處于(yú)始(shǐ)動流量(liàng)附近時(shí),顯(xiǎn)然trf趨(qū)近于(yú)零。故在分(fèn)析始動流(liú)量時(shí)可不(bú).考(kǎo)慮流(liú)體(tǐ)摩擦(cā)産(chǎn)生的阻力，而僅(jǐn)考慮機械摩擦和電磁(cí)阻力(lì)即可。
三、渦(wō)輪的(de)設計與研(yán)究
　　渦輪流(liú)量計(jì)的流量(liàng)計(jì)算可(kě)采用式(2):
 
式中qv一瞬(shùn)時流(liú)量,m³/s;
f一渦(wō)輪葉(yè)片産(chǎn)生的(de)信号頻(pín)率,hz;
k一儀(yí)表系數(shù),1/m³'。
　　在渦輪(lún)的設計方法中(zhōng),首先(xiān)要考慮的(de)是盡(jìn)量保(bǎo).證儀(yí)表系(xì)數的(de)線性(xìng)度,然後(hòu)才能用(yòng)式(2)進(jìn)行流量計(jì)算。爲了滿(mǎn)足線(xiàn)性度的(de)要求,葉(yè)片一般設(shè)計成按圖(tú)1所示(shì)的螺(luó)旋狀葉片。在渦(wō)輪的研究中,對(duì)于流量(liàng)計的信(xìn)息處理(lǐ)采用了(le)計算機技術,可以對(duì)儀表系數的非線性進行實時修正。這就給葉片結(jié)構的設計(jì)提供了更(gèng)廣闊的空間,即(jí)設計(jì)時可以完(wán)全不(bú)考(kǎo)慮(lǜ)線性(xìng)問題(tí)，而隻考慮(lǜ)能産生足夠大(dà)的驅動力矩和盡量小的摩擦(cā).力矩即可(kě)。
　　在經(jīng)過系(xì)列研(yán)究和(hé)實驗之(zhī)後,渦輪最終采用了由圖2所示(shì)的結構(gòu)。葉片類似于風(fēng)扇葉片(piàn)的(de)形狀(zhuàng),傾角(jiǎo)45°,由0.3mm厚的不鏽鋼薄(báo)闆整體(tǐ)沖壓而成，葉片(piàn)數量(liàng)爲20片。這種形狀的葉片雖(suī)然非(fēi)線(xiàn)性較大(dà),但重量相對較輕,這對(duì)于降低(dī)始動(dòng)流量(liàng)很有(yǒu)好處,而其(qí)非線性則(zé)可通過單片機(jī)進行曲線(xiàn)拟合的方(fāng)法予(yǔ)以修正(zhèng)。
 
　　由圖2可(kě)以看出,這(zhè)種渦輪沒(méi)有采(cǎi)用前後兩個:軸(zhóu)承的結構,而是(shì)采用了單軸承(chéng)式結(jié)構。軸(zhóu)承采(cǎi)用了(le)進口的微(wēi)型滾動軸承。軸(zhóu)爲固(gù)定不動,單(dān)軸承(chéng)安(ān)裝在軸(zhóu)的中間，由軸承套(tào)固定葉片。這(zhè)種結構不(bú)僅(jǐn)減(jiǎn)少了軸承(chéng)引人(rén)的機械摩擦,而且還克服了因(yīn)前後軸承不同(tóng)心而産生(shēng)的阻(zǔ)力。另(lìng)外(wài),這種結(jié)構也有利于軸(zhóu)承的(de)防塵(chén),密閉性更好。
四(sì)、檢測(cè)探頭的研(yán)究(jiū)
　　一般渦輪流(liú)量計(jì)采用内部(bù)嵌有(yǒu)永久磁鋼的線(xiàn)圈作爲檢測探(tàn)頭。葉(yè)片(piàn)轉動時(shí)切割磁力(lì)線産(chǎn)生感生(shēng)電勢,該(gāi)電勢(shì)耦合到線(xiàn)圈中(zhōng)，在線圈兩(liǎng)端可産生相應的周期性變化的感應電勢。當(dāng)渦輪(lún)轉速很低(dī)時,可以觀(guān)察到(dào)它的轉(zhuǎn)動不(bú)穩(wěn)定。當葉(yè)片(piàn)運動到磁鋼(gāng)附近時,會出現一個減(jiǎn)速甚(shèn)至停頓的(de)過程,這(zhè)是由永(yǒng)久磁鋼對葉片(piàn)的吸(xī)引力(lì)即電(diàn)磁阻(zǔ)力(lì)造成的(de),因(yīn)而在研究渦(wō)輪的(de)轉速特性(xìng)時,電磁阻力是(shì)一個(gè)必(bì)須予以(yǐ)重視(shì)的(de)問題。
　　檢測探(tàn)頭内(nèi)部嵌(qiàn)有一個軟(ruǎn)磁性(xìng)材料的(de)線(xiàn)圈,其(qí)工作原理(lǐ)是以(yǐ)電渦(wō)流(liú)爲基礎(chǔ)(5]。在線圈中通以(yǐ)高頻激勵信号(hào),周圍産生(shēng)一個高頻交(jiāo)變磁場中。當(dāng)葉(yè)片處于(yú)這(zhè)-.磁場(chǎng)中時,葉(yè)片中就會産生(shēng)電渦流。之(zhī)後,該(gāi)電渦流(liú)會産生一個(gè)阻(zǔ)礙高頻(pín)交變磁(cí)場中變(biàn)化的(de)磁場,,進而(ér)作用在線圈上(shàng),對高頻激勵信(xìn)号的(de)幅度與頻率予(yǔ)以調制。經(jīng)信号處理電路,可反(fǎn)映葉片的(de)頻率.變(biàn)化。
　　該檢(jiǎn)測過(guò)程可等效(xiào)爲,将線圈和葉(yè)片看作爲--個電(diàn)感l的原邊(biān)和次(cì)邊,l由線(xiàn)圈的自(zì)感l小(xiǎo)、葉片的自(zì)感lr以(yǐ)及它們的(de)互感m構成(chéng)0)。當葉片離開線圈時(shí),l中僅存在(zài)l;當葉(yè)片處(chù)于線圈位(wèi)置時，由于互感(gǎn)m的作(zuò)用(yòng),感抗(kàng)l是(shì)變化的,而l作爲lc振蕩電路(lù)中的電感元(yuán)件,它的(de)變(biàn)化将改變振(zhèn)蕩電路(lù)信号的(de)幅度(dù)與頻(pín)率。
　　采(cǎi)用這一(yī)電磁激勵結(jié)構(gòu),由于不(bú)産(chǎn)生電(diàn)磁引力(lì)，因此不存在電(diàn)磁阻(zǔ)力,即
tre=0
五、非線性修正的研(yán)究
　　如(rú)前所述,爲(wèi)了降低渦輪的(de)始動流量qvmin,并(bìng)降(jiàng)低儀表系數k較(jiào)大的非(fēi)線(xiàn)性，如(rú)何對(duì)非線性進(jìn)行修正就是一個需要解(jiě)決的(de)重要問(wèn)題。
　　根據(jù)國家計量檢定(dìng)規程(chéng)對速(sù)度式(shì)流(liú)量計檢定點(diǎn)的規定(dìng)”，檢(jiǎn)定點(diǎn)包括(kuò)7個點(diǎn)，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和(hé)qmar檢定點的數量是有(yǒu)限的7個,而(ér)流量計在(zài)使用(yòng)中,流(liú)量測量在qmin~qmax範圍内爲任意的。這樣,流量計的檢(jiǎn)定點和非(fēi)檢(jiǎn)定(dìng)點就會遠(yuǎn)遠超過7個。圖(tú)3給(gěi)出了儀表.系數(shù)k與信号頻率f(或流量q)的典型非線性趨勢(shì)。
 
　　顯然不能再沿用(yòng)平均(jun1)儀(yí)表系數(shù)計算(suàn)流量的方(fāng)法,而應該(gāi)用式(shì)(3)來計算在對應頻率信号f時的(de)儀表(biǎo)系(xì)數k,再用(yòng)式(2)計(jì)算流量。
k=f(f)(3)
　　該拟合(hé)公式(shì)的(de)具(jù)體形式可(kě)用兩種方法求取,即(jí)折線法和最小(xiǎo)二乘方(fāng)法。
　　折線(xiàn)法是指将每兩個相(xiàng)鄰(lín)檢定點(diǎn)用直線相連接(jiē)。顯然,在檢定點(diǎn)上,其拟合誤差(chà)爲零,然而在(zài)非檢定點(diǎn).上(shàng)具有(yǒu)較大(dà)誤差。表1給(gěi)出了(le)一組(zǔ)典型(xíng)的折線法非線(xiàn)性修正拟合數據。
　　拟合(hé)誤差的(de)計算公式8]爲:
 
　　從(cóng)表1可見,在非檢(jiǎn)定(dìng)點處的最大(dà)拟合誤(wù)差達到(dào)±1.65%。
　　最小二乘(chéng)方法得到的是一條(tiáo)連續曲線,其原(yuán)則是使(shǐ)各檢定(dìng)點到(dào)該曲線的誤差(chà)平(píng)方(fāng)和爲(wèi)最小(xiǎo)。由(yóu)于(yú)檢定點上(shàng)得到(dào)的數據并非标(biāo)準值(zhí),其本身也具(jù)有(yǒu)一定的誤差,而且實(shí)際使(shǐ)用的(de)渦輪(lún)流量(liàng)計k-f特(tè)性曲線應該是(shì)連續的、平滑的,因此盡管在檢(jiǎn)定點處的(de)拟合(hé)誤差不一定等(děng)于零,但(dàn)用(yòng)最小(xiǎo)二乘(chéng)方法得(dé)到(dào)的連續曲線應(yīng)該能更好地反(fǎn)映k-f關系的本質(zhì)9]。表2給出了用最(zuì)小二(èr)乘方(fāng)法得(dé)出的一組非線(xiàn)性修正拟(nǐ)合誤(wù)差數(shù)據。
 
　　由表2可見(jiàn),最大拟合誤(wù)差僅(jǐn)爲(wèi)±0.15%,遠優(yōu)于(yú)折線法的(de)拟合(hé)誤差結(jié)果。
六.渦(wō)輪流(liú)量計的應用
　　儀表樣機于(yú)1998年在天然(rán)氣和(hé)煤制(zhì)氣調(diào)壓站(zhàn)進行了(le)試驗運行。在(zài)試驗管道(dào)上,均串聯美國德菜塞(sāi)儀器公(gōng)司的羅茨(cí)表氣(qì)體流量計(其精度爲(wèi)±1%)作爲(wèi)标準(zhǔn)表進行了(le)比對(duì)。表3.表4分别給出了天然氣(qì)和煤(méi)制氣流(liú)量計試驗數(shù)據.
 
　　從試驗(yàn)結果可(kě)以看出(chū),寬量(liàng)程氣體渦輪流量計的計(jì)量結(jié)果與價格(gé)昂貴的進(jìn)口羅(luó)茨(cí)式儀(yí)表的計(jì)量結(jié)果基(jī)本一(yī)緻,該流(liú)量(liàng)計可(kě)以用于(yú)城市燃(rán)氣管(guǎn)網的流量(liàng)計量。

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