摘要：介紹了一種國產(chǎn)寬量程氣體渦輪流量計的工作原理及渦輪的設(shè)計思想，闡述了零阻力信號檢測法和儀表系數(shù)的非線性修正法,并給出了室內(nèi)檢定和工業(yè)現(xiàn)場的試驗數(shù)據(jù)。檢定結(jié)果表明，該流量計與進(jìn)口設(shè)備的計量結(jié)果基本一致。目前這種國產(chǎn)流量計已開始投入實際應(yīng)用。
一、流量計概述
近年來,隨著各行業(yè)對成本核算、貿(mào)易往來、節(jié)約能源、自動控制等工作的重視,用戶對流量測量的需求日益增多,同時對流量計的測量精度、量程比、適用介，質(zhì)等技術(shù)指標(biāo)提出了越來越高的要求。由于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)遍布于整個城市,考慮到供氣安全、管道的沿程壓力損失等問題，管道中的介質(zhì)(液化天然氣、煤制氣)一般壓力較低、流速不高,因此其流量測.量有固有的特殊性。另外,因為用氣高峰和低谷時的管道內(nèi)流量差距非常大,所以需要一種量程寬、測量下限低的流量測量儀表。目前,國內(nèi)外寬量程氣體流量計主要有以下幾種。
(1)腰輪式(羅茨式)氣體流量計.這是一種體積式測量儀表,具有測量下限低、量程寬、精度高、與介質(zhì)物性參數(shù)關(guān)系不緊密等優(yōu)點。但對氣體的潔凈程度要求較高,使用中需要加裝過濾裝置,并需要經(jīng)常清洗。
(2)熱式氣體質(zhì)量流量計。該流量計是利用氣體傳熱性能與其質(zhì)量流量的關(guān)系測量流量,可測量很.低的流速,具有較寬的測量范圍,并具有一定的抗雜質(zhì)能力,是近年來發(fā)展很快的一-種流量計。但由于其工作原理的局限性，易受氣體成分變化的影響，因此只適用于成分比較穩(wěn)定的氣體流量測量。.
(3)渦輪氣體流量計。該流量計是利用葉輪在氣體推動下的轉(zhuǎn)動來測量氣體的流量,具有一定的抗雜質(zhì)能力,并且不受氣體成分變化的影響。該種流量計在國外使用較多,而國產(chǎn)渦輪流量計由于其流量.下限較高,因此很少在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)上使用。
國內(nèi)生產(chǎn)的氣體渦輪流量計技術(shù)指標(biāo)為，滿管式渦輪流量計的流速測量范圍為4~26m/s,精度為±1.5%;插人式渦輪流量計的流速測量范圍為3~15m/s,精度為±2.5%。
與國外同類產(chǎn)品相比,國內(nèi)產(chǎn)品在流速測量的下限這一指標(biāo)上具有較大的差距,而這一指標(biāo)在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的流量測量中極為重要。
為提高渦輪流量計的量程比和擴(kuò)展其測量下限,研制出了一種寬量程、低流速氣體的渦輪流量計。這種渦輪流量計的精度在Qmin~0.2Qmax時為±2%,在0.2Qmax~Qmax時為±1.5%,流速測量范圍為0.3~10m/s.這種流量計為插人式結(jié)構(gòu),適用于.φ100~200口徑的管道,并具有維護(hù)方便的優(yōu)點。
二、渦輪流量計工作原理
渦輪流量計的工作原理示意圖如圖1所示。在管道中心安放一個渦輪,流體通過時沖擊渦輪葉片,對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩,使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速正相關(guān)。由檢測探頭檢測出葉片轉(zhuǎn)動頻率,輸入流量顯示.積算儀得到瞬時流量和累計流量。
為適應(yīng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的流量測量要求,應(yīng)盡量拓寬流量測量的下限,即盡量降低渦輪流量計的始動流量qmin.建立了一種渦輪流量計的理.論模型。在流體處于定常流狀態(tài)時,渦輪在流體的驅(qū).動力矩T,作用下轉(zhuǎn)動，阻力矩包括軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力矩Trm.渦輪與流體之間產(chǎn)生的流體阻力矩Trf,以及檢測探頭對渦輪產(chǎn)生的電磁阻力矩Tre,并應(yīng)有以下平衡關(guān)系:
由流體力學(xué)3可知,當(dāng)流體的流動處于湍流狀態(tài)時,流體產(chǎn)生的摩擦力正比于流速的平方;當(dāng)流動處于層流狀態(tài)時,其摩擦力正比于流速,所以摩擦力均正相關(guān)于流速。當(dāng)渦輪剛啟動而處于始動流量附近時,顯然Trf趨近于零。故在分析始動流量時可不.考慮流體摩擦產(chǎn)生的阻力，而僅考慮機(jī)械摩擦和電磁阻力即可。
三、渦輪的設(shè)計與研究
渦輪流量計的流量計算可采用式(2):
式中qv一瞬時流量,m³/s;
F一渦輪葉片產(chǎn)生的信號頻率,Hz;
K一儀表系數(shù),1/m³'。
在渦輪的設(shè)計方法中,首先要考慮的是盡量保.證儀表系數(shù)的線性度,然后才能用式(2)進(jìn)行流量計算。為了滿足線性度的要求,葉片一般設(shè)計成按圖1所示的螺旋狀葉片。在渦輪的研究中,對于流量計的信息處理采用了計算機(jī)技術(shù),可以對儀表系數(shù)的非線性進(jìn)行實時修正。這就給葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了更廣闊的空間,即設(shè)計時可以完全不考慮線性問題，而只考慮能產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動力矩和盡量小的摩擦.力矩即可。
在經(jīng)過系列研究和實驗之后,渦輪最終采用了由圖2所示的結(jié)構(gòu)。葉片類似于風(fēng)扇葉片的形狀,傾角45°,由0.3mm厚的不銹鋼薄板整體沖壓而成，葉片數(shù)量為20片。這種形狀的葉片雖然非線性較大,但重量相對較輕,這對于降低始動流量很有好處,而其非線性則可通過單片機(jī)進(jìn)行曲線擬合的方法予以修正。
由圖2可以看出,這種渦輪沒有采用前后兩個:軸承的結(jié)構(gòu),而是采用了單軸承式結(jié)構(gòu)。軸承采用了進(jìn)口的微型滾動軸承。軸為固定不動,單軸承安裝在軸的中間，由軸承套固定葉片。這種結(jié)構(gòu)不僅減少了軸承引人的機(jī)械摩擦,而且還克服了因前后軸承不同心而產(chǎn)生的阻力。另外,這種結(jié)構(gòu)也有利于軸承的防塵,密閉性更好。
四、檢測探頭的研究
一般渦輪流量計采用內(nèi)部嵌有永久磁鋼的線圈作為檢測探頭。葉片轉(zhuǎn)動時切割磁力線產(chǎn)生感生電勢,該電勢耦合到線圈中，在線圈兩端可產(chǎn)生相應(yīng)的周期性變化的感應(yīng)電勢。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速很低時,可以觀察到它的轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定。當(dāng)葉片運(yùn)動到磁鋼附近時,會出現(xiàn)一個減速甚至停頓的過程,這是由永久磁鋼對葉片的吸引力即電磁阻力造成的,因而在研究渦輪的轉(zhuǎn)速特性時,電磁阻力是一個必須予以重視的問題。
檢測探頭內(nèi)部嵌有一個軟磁性材料的線圈,其工作原理是以電渦流為基礎(chǔ)(5]。在線圈中通以高頻激勵信號,周圍產(chǎn)生一個高頻交變磁場中。當(dāng)葉片處于這-.磁場中時,葉片中就會產(chǎn)生電渦流。之后,該電渦流會產(chǎn)生一個阻礙高頻交變磁場中變化的磁場,,進(jìn)而作用在線圈上,對高頻激勵信號的幅度與頻率予以調(diào)制。經(jīng)信號處理電路,可反映葉片的頻率.變化。
該檢測過程可等效為,將線圈和葉片看作為--個電感L的原邊和次邊,L由線圈的自感L小、葉片的自感Lr以及它們的互感M構(gòu)成0)。當(dāng)葉片離開線圈時,L中僅存在L;當(dāng)葉片處于線圈位置時，由于互感M的作用,感抗L是變化的,而L作為LC振蕩電路中的電感元件,它的變化將改變振蕩電路信號的幅度與頻率。
采用這一電磁激勵結(jié)構(gòu),由于不產(chǎn)生電磁引力，因此不存在電磁阻力,即
Tre=0
五、非線性修正的研究
如前所述,為了降低渦輪的始動流量qvmin,并降低儀表系數(shù)K較大的非線性，如何對非線性進(jìn)行修正就是一個需要解決的重要問題。
根據(jù)國家計量檢定規(guī)程對速度式流量計檢定點的規(guī)定”，檢定點包括7個點，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和qmar檢定點的數(shù)量是有限的7個,而流量計在使用中,流量測量在qmin~qmax范圍內(nèi)為任意的。這樣,流量計的檢定點和非檢定點就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過7個。圖3給出了儀表.系數(shù)K與信號頻率F(或流量q)的典型非線性趨勢。
顯然不能再沿用平均儀表系數(shù)計算流量的方法,而應(yīng)該用式(3)來計算在對應(yīng)頻率信號F時的儀表系數(shù)K,再用式(2)計算流量。
K=f(F)(3)
該擬合公式的具體形式可用兩種方法求取,即折線法和最小二乘方法。
折線法是指將每兩個相鄰檢定點用直線相連接。顯然,在檢定點上,其擬合誤差為零,然而在非檢定點.上具有較大誤差。表1給出了一組典型的折線法非線性修正擬合數(shù)據(jù)。
擬合誤差的計算公式8]為:
從表1可見,在非檢定點處的最大擬合誤差達(dá)到±1.65%。
最小二乘方法得到的是一條連續(xù)曲線,其原則是使各檢定點到該曲線的誤差平方和為最小。由于檢定點上得到的數(shù)據(jù)并非標(biāo)準(zhǔn)值,其本身也具有一定的誤差,而且實際使用的渦輪流量計K-F特性曲線應(yīng)該是連續(xù)的、平滑的,因此盡管在檢定點處的擬合誤差不一定等于零,但用最小二乘方法得到的連續(xù)曲線應(yīng)該能更好地反映K-F關(guān)系的本質(zhì)9]。表2給出了用最小二乘方法得出的一組非線性修正擬合誤差數(shù)據(jù)。
由表2可見,最大擬合誤差僅為±0.15%,遠(yuǎn)優(yōu)于折線法的擬合誤差結(jié)果。
六.渦輪流量計的應(yīng)用
儀表樣機(jī)于1998年在天然氣和煤制氣調(diào)壓站進(jìn)行了試驗運(yùn)行。在試驗管道上,均串聯(lián)美國德菜塞儀器公司的羅茨表氣體流量計(其精度為±1%)作為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行了比對。表3.表4分別給出了天然氣和煤制氣流量計試驗數(shù)據(jù).
從試驗結(jié)果可以看出,寬量程氣體渦輪流量計的計量結(jié)果與價格昂貴的進(jìn)口羅茨式儀表的計量結(jié)果基本一致,該流量計可以用于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的流量計量。
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