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涡轮流量计的工作原理与运行条件
发布时间:2018-10-11

1.1涡轮流量计工作原理
  涡轮流量计是一种速度式流量计,其工作原理是根据置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比,通过测量叶轮的旋转角速度得到被测流体的流速,从而得到管道内的流量值[27]。整个仪表由壳体、导向体(疏流器)、叶轮、轴、轴承及信号检测器等组成。流量计内部结构如图2-2所示。
涡轮流量计内部结构图
  涡轮流量计在管道中心安放一个涡轮,两端由轴承支撑。当流体进入流量计时,首先要经过涡轮流量计内部特殊结构的前导流体并加速。在流体的作用下,涡轮叶片会与流体流向形成一定角度,这个时候涡轮就会产生转动力矩,这个转动力矩需要克服阻力力矩和摩擦力矩之后才能带动涡轮开始转动。当转动力矩、阻力力矩和摩擦力矩达到平衡时,涡轮的转速就会恒定[27]。而且涡轮转动速度与流量成线性关系。叶轮的转速经一副齿轮减速,同时由一个密封的磁性耦合器件将转动的趋势传到仪表外部的机械式计数器。利用电磁感应原理,通过旋转的涡轮叶片顶端导磁体周期性地改变磁阻,将检测线圈检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器,经过放大、整形,产生与流速成正比的脉冲信号,送入单位与流量积算电路,得到并显示累积流量值;同时将脉冲信号送入频率-电流转换电路,转换成模拟电流,进而指示瞬时流量值。
涡轮流量计的流量方程为
Qv=f/K(2-1)
  公式(2-1)中,Qv为体积流量,单位m3/h。f为流量计输出信号的频率,单位Hz。K为流量计的仪表系数,单位脉冲数/m3。
  涡轮流量计流量特性曲线如图2-1所示[7]。从特性曲线可以看出,当流量计从零开始增大时,叶轮必须先克服轴与轴承之间产生的静摩擦力矩后才开始旋转,极小量的流体通过涡轮流量计时,涡轮并不转动,只有当流量大于某一最小值时,这一最小流量值与流体的密度成平方根关系,所以它对密度较大的流体灵敏度较好,在流量计较小时,流量特性变化很大,主要收粘滞性摩擦力矩影响。
  当流量大于某一数值后,流量与转数才近似线性关系,这就是涡轮流量计的工作区域。
  由于轴承寿命、叶轮强度和压损等消极的制约,涡轮不能转动太快,因此涡轮流量计和其他流量计一样,存在测量的上下限。
涡轮流量计流量特性曲线图
1.2涡轮流量计优缺点
  涡轮流量计在石油化工、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体中有着广泛的应用,在使用量上是仅次于孔板流量计的计量仪表。
(一)涡轮流量计的优点
(1)高精度
  对于液体一般为±0.25%~±0.5%,高精度型可达到±0.15%;当介质为气体时,一般为±1.5%,特殊专用型为±0.5%~1%,在所用流量计中,涡轮流量计属于最精确的。
(2)重复性好
  短期重复性可达0.05%~0.2%,正是由于其具有良好的重复性,如经常校准或在线校准可得极高的精确度,使其成为在贸易结算计量的优秀解决方案之一。
(3)测量范围宽
  中大口径可达40:1~10:1,小口径为6:1或5:1。
(4)输出脉冲频率信号
  适于总量计量及计算机连接,无零点漂移,抗干扰能力强。可获得很高的频率信号(3~4Hz),信号分辨率强[23]。
(5)适用于高压测量
仪表表体不必开孔,易制成高压型仪表。
(6)结构类型多,可适应各种测量对象的需要。
(二)涡轮流量计的缺点
(1)难以长期保持校准特性,需要定期校验。对于无润滑性的液体,液体中含有悬浮物或具有腐蚀性时,容易造成轴承磨损及卡住等问题,限制了其使用范围,特殊工况需要采用耐磨硬质合金轴和轴承。有贸易储运和高精度测量要求时,最好配备现场校验设备,可定期校准以保持其特性。
(2)不适用于较高粘度介质(高粘度型除外),随着粘度的增大,流量计测量下限值提高,测量范围缩小,线性度变差。
(3)流体物性(密度、粘度)对仪表特性影响较大。气体涡轮流量计易受到密度的影响,而液体涡轮流量计对粘度变化的反应敏感。由于密度和粘度与温度、压力关系密切,在现场温度、压力波动较大的情况下,要根据它们对精确度影响的程度采取补偿措施,才能使流量计保持在较高的精度。
(4)流量计受到来自流速分布畸变和旋转流的影响较大,一次表上下游都需设置较长的直管段,安装空间要求严格。
(5)对被测介质的洁净度要求较高,限制了其适用领域,虽然可以通过安装过滤器以适应脏污介质,但亦带来压损增大、维护量增大等一系列问题,因此在由于洁净度较差的流体测量时要谨慎使用。
(6)小口径(2”以下)仪表流量特性受物性影响严重,仪表性能难以提高。
1.3涡轮流量计安装形式
  涡轮流量计根据口径的不同安装形式分为法兰连接、螺纹连接以及夹装式连接三种安装方式。螺纹连接与夹装式连接一般常用于小口径管线。涡轮流量计安装时液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致。典型的涡轮流量计安装如图2-3所示[8]。
涡轮流量计典型安装图
液体涡轮流量传感器可水平、垂直安装,垂直安装时流体方向必须向上。液体应充满管道,不得有气泡。直管段内壁应光滑清洁,无凹痕、积垢和起皮等缺陷。

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