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涡轮流量计介绍
发布时间:2016-10-17

第一节 概论
    涡轮流量计(以下简称涡轮流量计)是叶轮式流量(流速)计的主要品种,叶轮式流量计还有风速计、水表等。
    在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品,而涡轮流量计又具有自己的特点,如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大(同样口径可通过的流量大)和可适应高参数(高温、高压和低温)等。至今,这类流量计产品可达技术参数:口径4~750mm,压力达250MPa,温度为-240~700℃,像这样的技术参数其他两类流量计则是难以达到的。
    涡轮流量计广泛应用于以下一些测量对象:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站,大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。在欧洲和美国涡轮流量计是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸,压力从0.8MPa到6.5MPa的气体涡轮流量计,他们已成为优良的天然气流量计。
    尽管涡轮流量计的优良计量特性受到人们的青睐,可是给人的印象是由活动部件,使用期短,在选用时不免踌躇,经过人们的不懈努力,应该说情况大有改观。
    涡轮流量计作为最通用的流量计,其产品已发展为多品种、全系列、多规格批量生产的规模。应该指出,涡轮流量计除前述工业部门大量应用外,在一些特殊部门亦得到广泛应用,如科研实验、国防科技、计量部门,这些领域的使用恰好避开了其弱点(不适于长期连续使用),充分发挥其特点(高精度,重复性好,可用于高压、高温、低温及微流量等条件)。在这些领域,大多是根据被测对象的特殊要求进行专门的结构设计,它们是专用仪表不进行批量生产。
第二节 工作原理
涡轮流量计工作原理
      图1所示为涡轮流量计传感器结构图,由图可见,当被测流体流过传感器时,在流体作用下,叶轮受力旋转,其转速与管道平均流速成正比,叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化,产生周期性的感应电势,即电脉冲信号,经放大器放大后,送至显示仪表显示。
      涡轮流量计的实用流量方程为
         qv=f/K            (7.1)
        qm=qvρ           (7.2)
      式中
      qv,qm-分别为体积流量,m3/s,质量流量,kg/s;
      f-流量计输出信号的频率,Hz;
      K-流量计的仪表系数,P/m3。
    流量计的仪表系数与流量(或管道雷诺数)的关系曲线如图2所示。由图可见,仪表系数可分为二段,即线性段和非线性段。线性段约为工作段的三分之二,其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段,特性受轴承摩擦力,流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器流量下限时,仪表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。结构相似的涡轮流量计特性曲线的形状是相似的,他仅在系统误差水平方面有所不同。
涡轮流量计特性曲线
    传感器的仪表系数由流量校验装置校验得出,它完全不问传感器内部流体的流动机理,把传感器作为一个黑匣子,根据输入(流量)和输出(频率脉冲信号)确定其转换系数,它便于实际应用。但要注意,此转换系数(仪表系数)是有条件的,其校验条件是参考条件,如果使用时偏离此条件,系数将发生变化,变化的情况视传感器类型,管道安装条件和流体物性参数的情况而定。
第三节 主要特点 
1)高精确度,对于液体一般为±0.25%R-±0.5%R,高精度型可达±0.15%R;而介质为气体,一般为±1%R-±1.5%R,特殊专用型为±0.5%R-±1%R。在所有流量计中,它属于最精确的。
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,在贸易结算中是优先选用的流量计。
3)输出脉冲频率信号,适于总量计量及与计算机连接,无零点漂移,抗干扰能力强。
4)可获得很高的频率信号(3-4kHz),信号分辨力强。
5)范围度宽,中大口径可达40:1-10:1,小口径为6:1或5:1。
6)结构紧凑轻巧,安装维护方便,流通能力大。
7)适用高压测量,仪表表体上不必开孔,易制成高压型仪表。
8)专用型传感器类型多,可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器,例如低温型、双向型、井下型、混砂专用型等。
9)可制成插入型,适用于大口径测量,压力损失小,价格低,可不断流取出,安装维护方便。
10)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磨蚀性,造成轴承磨损及卡住等问题,限制了其适用范围,采用耐磨硬质合金轴和轴承后情况有所改进。对于贸易储运和高精度测量要求的,最好配备现场校验设备,可定期校准以保持其特性。
11)一般液体涡轮流量计不适用于较高粘度介质(高粘度型除外),随着粘度的增大,流量计测量下线值提高,范围度缩小,线性度变差。
12)流体物性(密度、粘度)对仪表特性有较大影响。气体流量计易受密度影响,而液体流量计对粘度变化反应敏感。由于密度和粘度与温度、压力关系密切,在现场温度、压力波动是难免的,要根据它们对精确度影响的程度采取补偿措施,才能保持高的计量精度。
13)流量计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大,传感器上下游侧需设置较长的直管段,如安装空间有限制,可加装流动调整器(整流器)以缩短直管段长度。
14)不适于脉动流和混相流的测量。
15)对被测介质的清洁度要求较高,限制了其适用领域,虽可安装过滤器以适应脏污介质,但亦带来压损增大、维护量增加等副作用。
16)小口径(DN50以下)仪表的流量特性受物性影响严重,故小口径涡轮流量计的仪表性能难以提高。
第四节 分类与传感器结构
4.1 分类
(1)按传感器结构分类
1)轴向型(普通型)叶轮轴中心与管道轴线重合,是涡轮流量计的主导产品,有全系列产品(DN10-DN600)。
2)切向型 叶轮轴与管道轴线垂直,流体流向叶片平面的冲角约90度,适用于小口径微流量产品。
3)机械型 叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构,只是积算总量,测量精度比电信号检测的传感器稍低,其传感器与显示装置组成一体式,受到用户欢迎。
4)井下专用型 适用于石油开采井下作业及采输用,测量介质有泥浆及油气流等,传感器体积受限制,需耐高压、高温及流体冲击等。
5)自校正双涡轮型 可用于天然气等气体流量测量,传感器由主、辅双叶轮组成,可由二叶轮的转速差自动校正流量特性的变化。
6)广粘度型 在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径,增加粘度补偿翼及承压叶片等结构措施,使传感器适用于高粘度液体,如重油,粘度可达30mm2/s。
4.2 传感器结构
    涡轮流量计传感器由表体、导向体(导流器)、叶轮、轴、轴承及信号检测器组成(见图1)。
1)表体。表体是传感器的主体部件,它起到承受被测流体的压力,固定安装检测部件,连接管道的作用。表体采用不导磁不锈钢或硬铝合金制造。对于大口径传感器已可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构,表体外壁装信号检测器。
2)导向体。在传感器进出口装有导向体,他对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用,通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。反推式涡轮流量传感器的后导流件还要求能产生足够的反推力,其结构形式很多。前导流器有专利产品可以抗流体流动的严重干扰。
3)涡轮。亦称叶轮,是传感器的检测元件,它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种,也可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率,叶轮由支架中轴承支撑,与表体同轴,其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响,要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计,叶轮的动平衡很重要,直接影响仪表性能和使用寿命。
4)轴与轴承。它支撑叶轮旋转,需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。它决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的,因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。
5)信号检测器。国内常用变磁阻式,如图1上半部分所示。由永久磁钢、导磁棒(铁芯)、线圈等组成。永久磁钢对叶片有吸引力,产生磁阻力矩,小口径传感器在小流量时,磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项,为此将永久磁钢分为大小两种规格,小口径配小规格以降低磁阻力矩。输出信号有效值在10mV以上的可直接配用流量计算机,配上放大器则输出伏级频率信号。
传感器结构类型很多,这里介绍几种广泛应用的产品。
1)止推式涡轮流量传感器 这类产品的结构简图于图3。其中图(a)与图(b)为轴尖止推类,采用平面或球面点接触,接触点与传感器轴线重合,点接触的优点是摩擦力矩很小,可用于较低的下限流量,但是大流量时磨损严重。图(c)为端面面接触止推型,端头呈球形,轴承为平面型。此类结构仅用于小口径(DN≤15mm)传感器,发挥其灵敏度高的特点。
涡轮流量计止推式结构图
2)反推式涡轮流量传感器这类产品的结构简图如图4所示。图4(a)中在输入端面处的压力pH降低,产生反推力;图4(b)是流体经前面孔引入产生反推力;图4(c)表示流体由后反向推。反推式结构在一定流量范围内可使叶轮处于浮游状态,轴向不存在接触点,无端面摩擦和磨损,可延长使用期限。
涡轮流量计反推式结构图
3)切向式涡轮流量传感器 图5所示为用于微流量测量的涡轮流量传感器。流体由叶轮的切向流过,冲击其叶片旋转。由于被测流量小,为加大流体对叶轮的冲力,入口处装有喷嘴,可以更换喷嘴孔径以调节流量范围。叶轮的转速采用光电法检测,以避免如磁阻法产生磁阻力矩。
涡轮流量计切向式结构图
4)气体涡轮流量计气体的密度远小于液体密度,流体推动力矩小,气体流量传感器与液体流量传感器在结构参数上有显著差别。要加大轮毂半径,缩小流道截面积,使气流流速加大且集中经过叶片边缘。因气流流速很高,要用较小冲角的叶片。一般为降低摩擦阻力矩,采用滚动轴承,并对轴承系统注入润滑剂。它能冲洗掉轴承表面的微粒,延长轴承寿命。多孔状的储油室能在换加润滑剂期间向轴承持续供油。典型的燃气涡轮流量计如图6所示。图6(a)所示为气体涡轮流量计的剖面图。图6(b)所示为传感器显示装置上附加气体体积补偿器,补偿器把传感器测量的实际体积流量经压力、温度换算为标准状态下的体积流量。另外还有报警、自诊断、远传信号等多种功能,他是一台功能齐全的流量计算机。
气体涡轮流量计传感器结构图
第五节 选用考虑要点
(1)精确度
    一般说来,选用涡轮流量计主要是看中其高精确度。目前涡轮流量计的精确度大致为液体:国际市场为±0.15%R,±0.2%R,±0.5%R和±1%R,国内定型产品为±0.5%R和±1%R;气体:国际市场为±0.5%R和±1%R,国内为±1%R和±1.5%R,以上精确度指范围度为6:1或10:1。若干涡轮流量传感器典型参数如表1所示。精确度除与本身产品质量有关外,还与使用条件密切相关。
    若缩小范围度可提高精确度;特别是作为标准表法流量标准装置的标准流量计,若定点使用,精确度可大为提高。
    流量计精确度愈高,对现场使用条件的变化就越敏感,要想保持其高精度,需要对仪表系数特别的处理。一种处理方法就是所谓仪表系数浮动处理法。即由现场以下条件实时进行处理:a)粘度受温度的影响;b)密度受压力、温度的影响;c)传感器信号冗余(一台传感器输出二个信号,监视其比值;d)系数的长期稳定性(采取控制图确定)等。
    对于贸易储运交接计量,常配备在线校验装置,以便定期进行校验。
    生产厂使用说明书列举的仪表精确度为基本误差,现场应估算附加误差,现场误差应为两者的合成。
(2)流量范围的选择
    涡轮流量计的流量范围的选择对其精确度及使用期限有较大的影响。一般在工作时最大流量相应的转速不宜过高。使用状况分连续工作和间歇工作两种,连续工作是指每天工作时间超过8小时,间歇工作是每天工作时间少于8小时。对于连续工作最大流量应选在仪表上限流量的较低处,而间歇工作可选在较高处。一般连续工作是将实际最大流量乘以1.4作为流量范围的上限流量,而间歇工作则乘以1.3。
    如果仪表口径与工艺管道通径不一致时,则应以异径管和等径直管改装管道。
    对于流速偏低的工艺管道,最小流量成为选择仪表口径首先要考虑的问题,通常以实际最小流量乘以0.8作为流量范围的下限流量,使其留有一定的裕量。若配有分段线性化功能的显示仪,在传感器流量下限值不能满足实际最小流量时,应要求生产厂在实际最小流量及其附近进行流量校验,将测得的仪表系数输入显示仪,这样就能既降低仪表的流量下限值,还能保持测量的精确度。
(3)精确度等级
    对于仪表精确度等级的要求要慎重,应该从经济角度来考虑,例如大口径输油(输气)管线的贸易结算仪表,经济上关系重大,在仪表上多投入是合算的。至于输送量不大或作为过程控制用只需中等精度水平即可,切忌盲目追求高精度。本安型防爆传感器适配安全栅型号及制造厂,核查防爆等级及批准文号等。若要显示质量流量(或标准状态下体积流量)要选配压力、温度传感器或密度仪表。涡轮流量计显示仪现已由以微处理器为基础可与上位计算机进行通信的流量计计算机所包括,该仪表在仪表功能及使用范围等都远超过老式涡轮流量显示仪。目前作为贸易计量的各类型流量计都趋向于配有直读式显示装置(如图6所示)。不但有总量计量的显示,还可附加补偿器(一台功能齐全的流量计算机)输出远传信号。
(4)对流体的要求
    涡轮流量计对流体的要求为洁净(或基本洁净)、单相或低粘度的,常用流体举例如下:一般流体,包括水、空气、氧气、高压氢气、牛奶、咖啡等;石油化工类:汽油、轻油、喷气燃料、轻柴油、石脑油、乙烯、聚乙烯、苯乙烯、液化气、二氧化碳及天然气;化学溶液类:氨水、甲醇、盐水等;有机液体:酒精、乙醚、苯、甲苯、二甲苯、丁二烯、四氯化碳、甲基胺、丙烯腈等;无机液:甲醛、酢酸、苛性钠、二硫化碳等。对于腐蚀性介质,使用材质选择要注意,含杂质多及磨蚀性介质不推荐使用。
(5)对液体粘度的要求
    液体涡轮流量计为粘度敏感的流量计,当液体粘度增大时,仪表系数的线性区变窄,下限流量增大,当粘度增加到一定数值时,甚至无线性区域。螺旋叶片的情况比直叶片要好的多。
    对于液体,通常用水校验传感器,当精度为0.5级时,可在5×10-6mm2/s以下的液体而不必考虑粘度的影响。当流体粘度高于5×10-6mm2/s时,可用相当粘度的液体校验而不必作粘度修正。此外也可采取一些措施来补偿粘度的影响。如缩小使用范围度,提高流量下线值或仪表系数乘以雷诺数修正系数等。
    粘度对仪表系数的影响与传感器结构类型及参数口径大小等有关。有几种粘度对仪表系数影响的表示方法:仪表系数与雷诺数的关系,在几种粘度下,仪表系数与输出频率的关系和仪表系数与输出频率除以运动年度的比值的关系等等。这些资料有的生产厂准备有,但并非所有的生产厂都有这些资料。
(6)对气体密度的要求
    气体涡轮流量计主要考虑流体密度对仪表系数的影响,密度的影响主要在低流量区域,如图14所示。密度的增大(即压力增大)使特性曲线直线部分向下限流量区域拓展,传感器的范围度扩大,线性度改善。若气体涡轮流量计在常压的空气中校验使用时被测介质工作压力不一样,其下限流量由下式计算qvmin,qvamin-分别为压力p和压力,pa(101.325kPa)下被测介质和空气的体积流量下限值,m3/h;p,pa-分别为工作压力(绝压)和大气压(101.325kPa),kPa;d-被测介质的相对密度,无量纲。
(7)体积流量换算到质量流量
    涡轮流量计测量的是实际体积流量,无论物料平衡或能源计量,介须测量介质流量(即标准状态下的体积流量),这是应由下式进行换算
      
    式中 qv,qvn-分别为工作状态和标准状态下的体积流量,m3/h;
    p,T,Z-分别为工作状态下绝对压力(Pa),热力学温度(K)和气体压缩系数;
    pn,Tn,Zn-分别为标准状态下绝对压力(Pa),热力学温度(K)和气体压缩系数;
(8)不宜选用涡轮流量计的场所
    含杂质多的流体,如循环冷却水、河水、排污水、燃油等;流量急剧变化的场所,如锅炉供水系统、有空气锤的供气系统等;测量液体时,管道压力不高而流量又较大,仪表下游侧压力可能接近饱和蒸汽压,有产生气穴的危险,如液氨从高位槽靠位能自由流出,在排放口处就不宜安装;电焊机、电动机、有触点的继电器等的附近,存在严重电磁干扰的场所;上下游直管段长度严重不足,如轮船的机舱内;锅炉自动供水系统如频繁地起泵和停泵,对叶轮造成冲击,使传感器很快损坏;有腐蚀性或磨蚀性介质选型时应慎重,宜与制造厂联系咨询。
(9)经济性
    选用涡轮流量计用于高精确度场合,其经济因素应多方面考虑。仪表的购置费只是费用的一部分,还应考虑以下几方面的开支:安装用辅助设备费(如消气器、过滤器等)或旁路支管包括阀门等;校验费,为了保持高精度必须经常校验,甚至在现场安装一套在线校验装置,其费用相当可观;维护费,涡轮流量计的易损件更换用,他是保持高性能必需的。
(10)选用步骤
1)确认可用的测量对象,如前所述。
2)选择型式。按流体物性选择,气体和液体分别用气体型和液体型,不能通用。在工作状态下液体粘度超过5mPa.s应选用高粘度型(国内尚无定型产品)。酸性腐蚀性液体选用耐酸型(国内尚无定型产品)。
    按环境条件选择,按环境温度和湿度等选择合适仪表,如周围有爆炸易燃性气氛应选防爆型传感器。
    按管道连接方式选择,传感器有水平和垂直两种安装方式。水平安装时与管道连接方式有法兰连接、螺纹连接和夹装连接。中等口径选用法兰连接,小口径和高压管道选用螺纹连接,夹装连接只适用于低压中小管径。垂直安装只有螺纹连接。
3)选择规格。按现场使用条件,如流量范围、管径、流体压力和温度、安装位置等和性能要求,如精确度、重复性、显示方式等参照制造厂选型样本或使用说明书选定具体规格型号,也有可能找不到合适的,只好另选其它流量计。
    由于涡轮流量计类型规格繁多,特别是不同制造厂产品质量有差别,必须尽量搜集制造厂及有关标准等资料进行反复调查比较后再决定取舍。
第六节 安装注意事项
    传感器应安装在便于维修,管道无振动、无强电磁干扰与热辐射影响的场所。液体涡轮流量计的典型安装管路系统如图7所示。图中各部分的配置可视被测对象情况而定,并不一定全部都需要。涡轮流量计对管道内流速分布畸变及旋转流是敏感的,进入传感器应为充分发展管流,因此要根据传感器上游侧阻流件类型配备必要的直管段或流动调整器,如表2所示。若上游侧阻流件情况不明确,一般推荐上游直管段长度不小于20D,下游直管段长度不小于5D,如安装空间不能满足上述要求,可在阻流件与传感器之间安装流动调整器。传感器安装在室外时,应有避直射阳光和防雨淋的措施。
 涡轮流量计传感器安装示意图
表2 涡轮流量计所要求的最短直管段长度

上游侧阻 单个90°弯头 在同一平面上的
两个90°弯头 
在不同平面上的
两个90°弯头
同心减缩管 全开阀门 半开阀门 下游侧长度
l/DN  20 25 40 15 20 50 5

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