涡轮流量计及显示仪表工作原理的分析

2014-05-14李晓仲宁书岩

天津科技 2014年3期

李晓仲，宁书岩，郭彤

(天津市计量监督检测科学研究院天津 300192)

涡轮流量计(以下简称流量计)是以流体动量矩原理为基础的流量计量仪表。有些科技文献又将其划分为速度式仪表，因为在一定的流量范围内，流量计的转动速度与流体的流速成比例关系。

流量计使用中的主要特点：体积小；重量轻；准确度高(有的流量计可以当作计量标准仪表)；反应时间快(有些可达到毫秒级)；量程比宽(一般为10∶1)；压力损失小；适用工作流体温度高；输出为脉冲信号，故不易受到干扰；可以长距离传输，便于各种参数处理。当它与多功能、多参数的显示仪表(以下简称仪表)组合使用时，可以同时对累积流量、瞬时流量或流体温度、内部压力等参数进行测量及分析、调节。

1 流量计的工作过程

流量计通常由涡轮(机械部分)、磁电转换器、放大机构(电子部分)等组成。

图1 流量计构成图Fig.1 Constitution of a flowmeter

当流体流经安装在管道里的涡轮，即流经涡轮叶片与管道之间的间隙时，由于流体的冲击作用，使得涡轮围绕轴心发生旋转。同时实验表明，涡轮旋转的转数与介质流体的体积流量呈现近似的线性关系。再将涡轮的旋转通过磁电转换器变换成相对应的电脉冲信号，以此脉冲信号经电子放大机构放大后，即可输送显示仪表进行多参数物理量的指示。

由前可知，在测量范围内，涡轮的转速与流量成正比，而信号的脉冲数则与涡轮的转速成正比。所以，当我们检测出信号脉冲总数以后，除以仪表常数ξ(次/升)，便可计算得到该段时间内的介质流体总量 V(升)，即：

举一例：流量计ξ为 180次/L，用仪器测出在10,min内仪表计算得的脉冲数为7,200次，则10,min内管道中流过流体的总量为：

V＝N/ξ＝7,200次/180次/L＝40,L

2 涡轮旋转的基本原理

流量计主要组件包括：导流体组件、涡轮组件、壳体、磁电转换器和放大机构等。通过对流体流过管道及涡轮结构的分析，我们可以得出，当流体沿管道的轴线方向流动而冲击涡轮叶片时，便有与流量 Q、密度φ和流速 V的乘积成比例的力作用于叶片上，推动涡轮旋转。

图2 涡轮旋转的产生示意图Fig.2 Schematic diagram of the generation of a turbine’s spinning activity

如图 2所示，由于涡轮对流体是作相对运动，如果涡轮旋转的圆周速度 V＝w·r与轴线平行的流速与叶片的夹角为θ，流通面积为 A，则介质流速 V＝Q/A，则推动涡轮旋转的力矩M可用下式表示：

式中：K1——与流量计结构尺寸、流体质量、状态有关的参数；r——平均半径，常取叶片宽度1/2到中心的距离。

由(2)式可知，力矩M除与流量Q有关外，与流体介质密度ρ、流动状态与流向等多个因素有关。

在涡轮旋转时，除推动涡轮旋转的转动力矩 M外，还同时存在阻碍涡轮旋转的阻力矩，其中包括：介质粘度对涡轮摩擦引起的阻力矩 M1，轴承摩擦引起的阻力矩 M2，磁电转换器引起的磁电反应阻力矩M3。根据动量矩守恒原理，涡轮的运动方程式可以用以下函数关系式表示：

式中：J——涡轮的转动惯量；dω/dt——涡轮的角加速度。

由(3)式可知，当 dω/dt为零时，涡轮以角速度ω作匀速转动；当流量发生变化时，dω/dt≠0，涡轮将作加速旋转运动，经过一段时间后，随着流量的稳定，涡轮又会达到新的力矩平衡状态，即 dω/dt又等于零值。就是说，涡轮将以另一新的角速度匀速旋转，以适应新的流量，并出现了新的稳定状态。

通过分析和计算可知，在dω/dt＝0时，涡轮转动角速度ω与体积流量Q有如下式的近似关系：

式中：a——与流量计结构参数、流体介质、流动状态有关的系数；ξ——流量计转换系数，当介质流量大于某一数值时，在一段区间内可以近似看作为一常数，有时也称为仪表常数。

仪表常数ξ是流量计重要的特性参数，由于流量计是通过磁电转换器将角速度ω 转换成相应的脉冲数，因而我们可以把ξ看成是单位体积流量 Q通过流量计时，转换器输出的脉冲数(脉冲数/升)，故也称为流量系数。流量计作为产品出厂时，生产单位则是测取测量范围内的转换系数平均值作为仪表常数，因而可以认为流体总量V与脉冲数N的关系，如(5)式所示：

3 磁电转换器的工作过程

磁电转换器工作时如图3所示。

当流体通过涡轮叶片时，涡轮 5将发生旋转运动，叶轮片 4将周期性切割磁钢 1而产生磁力线 3，从而改变通过线圈 2的磁通量，根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号。不难理解，脉动电势信号的频率与涡轮旋转的角速度ω成正比，即与被测介质的流量 Q成正比。通过放大机构(电子部分)将上述脉冲信号放大到 1,V左右脉冲电压，传送给显示仪表，即可显示出被测介质的流量数据。

图3 磁电转换器工作示意图Fig.3 Working scheme of a magneto-electricity transducer

4 流量计显示仪表工作原理

根据我们对流量计工作原理的分析和探讨，得知流量计输出的信号是电脉冲数，因此仪表就是将单位时间的输出脉冲和输出脉冲的总数转换成瞬时流量和流体总量，并把以上数据进行分析后通过数字量显示。因而仪表的组成可以用图4所示的方框图表示：

图4 仪表构成框图Fig.4 Block diagram of an instrument’s constitution

4.1 瞬时流量指示

瞬时流量指示的实质，就是对瞬时频率、脉冲信号的指示，是将信号处理后的频率、脉冲线性地转换成直流电信号而指示相应的流量参数。如果是模拟仪表，标尺常以频率(Hz)数值分度，指示的频率值 f除以流量计仪表常数ξ就能够得到瞬时体积流量值Q。如图5所示的频率瞬时指示原理方框图。

图5 频率瞬时指示原理方框图Fig.5 Block diagram of the principle of frequency instantaneous indication

经过整形后的输入频率(脉冲)作用于计算电路的输入端 T，使电路中交替出现截止或导通两种状态，放大器输出端脉冲波形被整形，与 T的波形相反，当放大电路出现截止状态时，电源 E通过外围电路(或集成内部)在储能电容 C中预存电荷；当放大电路出现导通状态时，C预存的电荷通过外围电路(或集成内部)迅速释放。就这样输入的频率(脉冲)经过电子电路改变为与之相对应的电流信号。电路里的电流指示仪表 4即刻显示该计量电流值 I的多少，I＝q/T，而 q＝C·E，f＝1/T(q 为一个脉冲周期电容所充电荷量；C为电容量；E为电源电压值；f为充放电频率)。合并三式可得到公式(6)：

由公式(6)可知，当电源电压E和电容量C为常数时，电流 I与输入脉冲的频率 f成正比，当更改外围电路(或集成内部)储存电荷的电容 C(1～n)参数或连接方式以及改变电路数据时，就可以得到不同介质的流量测量范围。在有些流量计结构中，为了便于检查指示仪表是否工作正常，在放大器输入端设置有自检电路装置。它将振荡器产生的恒定频率脉冲信号送入后置电路，实现自动检测工作正常与否的目的。

4.2 总量积算

前述我们介绍了流量计工作原理，通常还要计量在一定时间范围内，流量计流过介质的体积或质量的累积量，因此显示仪表具有累积计算功能。下面我们根据流量计实际工况对一种累积值计算方法的实现进行分析。

图 6为一种应用除法方案进行累积计算的组成原理图。

图6 累积计算电路组成框图Fig.6 Block diagram of the constitution of an accumulative computing circuit

由图 6可知，此积算器构成中包括了整形、累积脉冲计数、系统设定、总量积算、软件数据的控制等。其4个输出端分别与四层波段开关的各层相连，通过软件控制，组成了系统设定器。根据流量计系数ξ的值，可以在0～9,999(其他参数也可以)之间任意选择设定系数。

由放大电路机构输出的脉冲信号，经整形处理后，成为具有一定幅值和能满足前沿要求的脉冲信号，将此信号转入换算电路机构，它每输出一个脉冲信号便拖动计数电路机构统计一个数码参数，同时软件功能即可识别纪录出一个数字量，表明已经有一个单位介质体积的流量流过流量计。此时换算电路单元输出的信号直接改变触发稳态电路，使各计数参数值恢复到起始的“零”状态，重复此过程即完成了累积脉冲的积算，就是对累积流量介质的积算。

例如：口径为 80,mm 的流量计，流量系数ξ为16.25脉冲/升，通过软件将系数设定分别置于 1、6、2、5，则每当计数器收到1,625个脉冲信号的瞬时，软件操作发出指令并输出一个固定频率信号，使电路状态发生变化，使计数电路结构统计一个计量单位，从而实现了逢 K进一的累计运算，显示仪表就能够显示出流体介质总量。

通过上例分析可知，如果流量计输送到显示仪表的脉冲总数为 N，经换算后，送到总量积算器的脉冲数为Nc，则流体介质计量总量为：