渦輪流量計(jì)是葉輪式流量（流速）計(jì)的主要品種，葉輪式流量計(jì)還有風(fēng)速計(jì)、水表等。流量計(jì)大全之渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與優(yōu)缺點(diǎn)(多圖)、渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
在各種流量計(jì)中渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)是三類(lèi)重復(fù)性、精確度最佳的產(chǎn)品，而渦輪流量計(jì)又具有自己的特點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大（同樣口徑可通過(guò)的流量大）和可適應(yīng)高參數(shù)（高溫、高壓和低溫）等。至今，這類(lèi)流量計(jì)產(chǎn)品可達(dá)技術(shù)參數(shù)：口徑4-750mm，壓力達(dá)250MPa，溫度為-240-700℃，像這樣的技術(shù)參數(shù)其他兩類(lèi)流量計(jì)則是難以達(dá)到的。
渦輪流量計(jì)廣泛應(yīng)用于以下一些測(cè)量對(duì)象：石油、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液、液化氣、天然氣、煤氣和低溫流體等。在國(guó)外液化石油氣、成品油和輕質(zhì)原油等的轉(zhuǎn)運(yùn)及集輸站，大型原油輸送管線(xiàn)的首末站都大量采用它進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。在歐洲和美國(guó)渦輪流量計(jì)是僅次于孔板流量計(jì)的天然氣計(jì)量?jī)x表，僅荷蘭在天然氣管線(xiàn)上就采用了2600多臺(tái)各種尺寸，壓力從0.8MPa到6.5MPa的氣體渦輪流量計(jì)，他們已成為優(yōu)良的天然氣流量計(jì)。盡管渦輪流量計(jì)的優(yōu)良計(jì)量特性受到人們的青睞，可是給人的印象是由活動(dòng)部件，使用期短，在選用時(shí)不免躊躇，經(jīng)過(guò)人們的不懈努力，應(yīng)該說(shuō)情況大有改觀(guān)。
渦輪流量計(jì)作為最通用的流量計(jì)，其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、全系列、多規(guī)格批量生產(chǎn)的規(guī)模。應(yīng)該指出，渦輪流量計(jì)除前述工業(yè)部門(mén)大量應(yīng)用外，在一些特殊部門(mén)亦得到廣泛應(yīng)用，如科研實(shí)驗(yàn)、國(guó)防科技、計(jì)量部門(mén)，這些領(lǐng)域的使用恰好避開(kāi)了其弱點(diǎn)（不適于長(zhǎng)期連續(xù)使用），充分發(fā)揮其特點(diǎn)（高精度，重復(fù)性好，可用于高壓、高溫、低溫及微流量等條件）。在這些領(lǐng)域，大多是根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特殊要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它們是專(zhuān)用儀表不進(jìn)行批量生產(chǎn)。
渦輪流量計(jì)工作原理
圖1所示為渦輪流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)圖，由圖可見(jiàn)，當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測(cè)線(xiàn)圈中磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì)，即電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。
渦輪流量計(jì)的實(shí)用流量方程為
qv=f/K (7.1) qm=qvρ (7.2)
式中 qv,qm－分別為體積流量，m3/s， 質(zhì)量流量，kg/s； f－流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率，Hz； K－流量計(jì)的儀表系數(shù)，P/m3。
流量計(jì)的儀表系數(shù)與流量（或管道雷諾數(shù)）的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。由圖可見(jiàn)，儀表系數(shù)可分為二段，即線(xiàn)性段和非線(xiàn)性段。線(xiàn)性段約為工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線(xiàn)性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下限時(shí)，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過(guò)流量上限時(shí)要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的渦輪流量計(jì)特性曲線(xiàn)的形狀是相似的，他僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。
傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出，它完全不問(wèn)傳感器內(nèi)部流體的流動(dòng)機(jī)理，把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號(hào)）確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)，它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意，此轉(zhuǎn)換系數(shù)（儀表系數(shù)）是有條件的，其校驗(yàn)條件是參考條件，如果使用時(shí)偏離此條件，系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類(lèi)型，管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。
一、渦輪流量計(jì)主要特點(diǎn)
1） 高精確度，對(duì)于液體一般為±0.25％R－±0.5％R，高精度型可達(dá)±0.15％R；而介質(zhì)為氣體，一般為±1％R－±1.5％R，特殊專(zhuān)用型為±0.5％R－±1％R。在所有流量計(jì)中，它屬于最精確的。
2） 重復(fù)性好，短期重復(fù)性可達(dá)0.05％-0.2％，正是由于具有良好的重復(fù)性，如經(jīng)常校準(zhǔn)或在線(xiàn)校準(zhǔn)可得極高的精確度，在貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計(jì)。
3） 輸出脈沖頻率信號(hào)，適于總量計(jì)量及與計(jì)算機(jī)連接，無(wú)零點(diǎn)漂移，抗干擾能力強(qiáng)。
4） 可獲得很高的頻率信號(hào)（3-4kHz），信號(hào)分辨力強(qiáng)。
5） 范圍度寬，中大口徑可達(dá)40：1-10：1，小口徑為6：1或5：1。
6） 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大。
7） 適用高壓測(cè)量，儀表表體上不必開(kāi)孔，易制成高壓型儀表。
8） 專(zhuān)用型傳感器類(lèi)型多，可根據(jù)用戶(hù)特殊需要設(shè)計(jì)為各類(lèi)專(zhuān)用型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型、混砂專(zhuān)用型等。
9） 可制成插入型，適用于大口徑測(cè)量，壓力損失小，價(jià)格低，可不斷流取出，安裝維護(hù)方便。
10） 難以長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性，需要定期校驗(yàn)。對(duì)于無(wú)潤(rùn)滑性的液體，液體中含有懸浮物或磨蝕性，造成軸承磨損及卡住等問(wèn)題，限制了其適用范圍，采用耐磨硬質(zhì)合金軸和軸承后情況有所改進(jìn)。對(duì)于貿(mào)易儲(chǔ)運(yùn)和高精度測(cè)量要求的，最好配備現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)設(shè)備，可定期校準(zhǔn)以保持其特性。
11） 一般液體渦輪流量計(jì)不適用于較高粘度介質(zhì)（高粘度型除外），隨著粘度的增大，流量計(jì)測(cè)量下線(xiàn)值提高，范圍度縮小，線(xiàn)性度變差。
12） 流體物性（密度、粘度）對(duì)儀表特性有較大影響。氣體流量計(jì)易受密度影響，而液體流量計(jì)對(duì)粘度變化反應(yīng)敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關(guān)系密切，在現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力波動(dòng)是難免的，要根據(jù)它們對(duì)精確度影響的程度采取補(bǔ)償措施，才能保持高的計(jì)量精度。
13） 流量計(jì)受來(lái)流流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流的影響較大，傳感器上下游側(cè)需設(shè)置較長(zhǎng)的直管段，如安裝空間有限制，可加裝流動(dòng)調(diào)整器（整流器）以縮短直管段長(zhǎng)度。
14） 不適于脈動(dòng)流和混相流的測(cè)量。
15） 對(duì)被測(cè)介質(zhì)的清潔度要求較高，限制了其適用領(lǐng)域，雖可安裝過(guò)濾器以適應(yīng)臟污介質(zhì)，但亦帶來(lái)壓損增大、維護(hù)量增加等副作用。
16） 小口徑（DN50以下）儀表的流量特性受物性影響嚴(yán)重，故小口徑渦輪流量計(jì)的儀表性能難以提高。
二、渦輪流量計(jì)分類(lèi)
按傳感器結(jié)構(gòu)分類(lèi)
1）軸向型（普通型）葉輪軸中心與管道軸線(xiàn)重合，是渦輪流量計(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)品，有全系列產(chǎn)品（DN10-DN600）。
2）切向型 葉輪軸與管道軸線(xiàn)垂直，流體流向葉片平面的沖角約90度，適用于小口徑微流量產(chǎn)品。
3）機(jī)械型 葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)直接或經(jīng)磁耦合帶動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)，只是積算總量，測(cè)量精度比電信號(hào)檢測(cè)的傳感器稍低，其傳感器與顯示裝置組成一體式，受到用戶(hù)歡迎。
4）井下專(zhuān)用型 適用于石油開(kāi)采井下作業(yè)及采輸用，測(cè)量介質(zhì)有泥漿及油氣流等，傳感器體積受限制，需耐高壓、高溫及流體沖擊等。
5）自校正雙渦輪型 可用于天然氣等氣體流量測(cè)量，傳感器由主、輔雙葉輪組成，可由二葉輪的轉(zhuǎn)速差自動(dòng)校正流量特性的變化。
6）廣粘度型 在波特型浮動(dòng)轉(zhuǎn)子壓力平衡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)大上錐體與下錐體的直徑，增加粘度補(bǔ)償翼及承壓葉片等結(jié)構(gòu)措施，使傳感器適用于高粘度液體，如重油，粘度可達(dá)30mm2/s。
三、傳感器結(jié)構(gòu)
渦輪流量計(jì)傳感器由表體、導(dǎo)向體（導(dǎo)流器）、葉輪、軸、軸承及信號(hào)檢測(cè)器組成（見(jiàn)圖1）。
1） 表體 表體是傳感器的主體部件，它起到承受被測(cè)流體的壓力，固定安裝檢測(cè)部件，連接管道的作用。表體采用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁合金制造。對(duì)于大口徑傳感器已可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)，表體外壁裝信號(hào)檢測(cè)器。
2） 導(dǎo)向體 在傳感器進(jìn)出口裝有導(dǎo)向體，他對(duì)流體起導(dǎo)向整流以及支撐葉輪的作用，通常選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。反推式渦輪流量傳感器的后導(dǎo)流件還要求能產(chǎn)生足夠的反推力，其結(jié)構(gòu)形式很多。前導(dǎo)流器有專(zhuān)利產(chǎn)品可以抗流體流動(dòng)的嚴(yán)重干擾。
3） 渦輪 亦稱(chēng)葉輪，是傳感器的檢測(cè)元件，它由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，也可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來(lái)增加一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率，葉輪由支架中軸承支撐，與表體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)，葉輪的動(dòng)平衡很重要，直接影響儀表性能和使用壽命。
4） 軸與軸承 它支撐葉輪旋轉(zhuǎn)，需有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。它決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是很重要的。
5） 信號(hào)檢測(cè)器 國(guó)內(nèi)常用變磁阻式，如圖1上半部分所示。由永久磁鋼、導(dǎo)磁棒（鐵芯）、線(xiàn)圈等組成。永久磁鋼對(duì)葉片有吸引力，產(chǎn)生磁阻力矩，小口徑傳感器在小流量時(shí)，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項(xiàng)，為此將永久磁鋼分為大小兩種規(guī)格，小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。輸出信號(hào)有效值在10mV以上的可直接配用流量計(jì)算機(jī)，配上放大器則輸出伏級(jí)頻率信號(hào)。
渦輪流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)類(lèi)型很多，這里介紹幾種廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品。
1） 止推式渦輪流量傳感器 這類(lèi)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖于圖3。其中圖（a）與圖(b)為軸尖止推類(lèi)，采用平面或球面點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)與傳感器軸線(xiàn)重合，點(diǎn)接觸的優(yōu)點(diǎn)是摩擦力矩很小，可用于較低的下限流量，但是大流量時(shí)磨損嚴(yán)重。圖(c)為端面面接觸止推型，端頭呈球形，軸承為平面型。此類(lèi)結(jié)構(gòu)僅用于小口徑（DN≤15mm）傳感器，發(fā)揮其靈敏度高的特點(diǎn)。
2） 反推式渦輪流量傳感器這類(lèi)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。圖4(a)中在輸入端面處的壓力pH降低，產(chǎn)生反推力；圖4(b)是流體經(jīng)前面孔引入產(chǎn)生反推力；圖4(c)表示流體由后反向推。反推式結(jié)構(gòu)在一定流量范圍內(nèi)可使葉輪處于浮游狀態(tài)，軸向不存在接觸點(diǎn)，無(wú)端面摩擦和磨損，可延長(zhǎng)使用期限。
3） 切向式渦輪流量計(jì) 圖5所示為用于微流量測(cè)量的渦輪流量傳感器。流體由葉輪的切向流過(guò)，沖擊其葉片旋轉(zhuǎn)。由于被測(cè)流量小，為加大流體對(duì)葉輪的沖力，入口處裝有噴嘴，可以更換噴嘴孔徑以調(diào)節(jié)流量范圍。葉輪的轉(zhuǎn)速采用光電法檢測(cè)，以避免如磁阻法產(chǎn)生磁阻力矩。
4） 氣體渦輪流量計(jì)，氣體的密度遠(yuǎn)小于液體密度，流體推動(dòng)力矩小，氣體流量傳感器與液體流量傳感器在結(jié)構(gòu)參數(shù)上有顯著差別。要加大輪轂半徑，縮小流道截面積，使氣流流速加大且集中經(jīng)過(guò)葉片邊緣。因氣流流速很高，要用較小沖角的葉片。一般為降低摩擦阻力矩，采用滾動(dòng)軸承，并對(duì)軸承系統(tǒng)注入潤(rùn)滑劑。它能沖洗掉軸承表面的微粒，延長(zhǎng)軸承壽命。多孔狀的儲(chǔ)油室能在換加潤(rùn)滑劑期間向軸承持續(xù)供油。典型的燃?xì)鉁u輪流量計(jì)如圖6所示。圖6(a)所示為氣體渦輪流量計(jì)的剖面圖。圖6(b)所示為傳感器顯示裝置上附加氣體體積補(bǔ)償器，補(bǔ)償器把傳感器測(cè)量的實(shí)際體積流量經(jīng)壓力、溫度換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。另外還有報(bào)警、自診斷、遠(yuǎn)傳信號(hào)等多種功能，他是一臺(tái)功能齊全的流量計(jì)算機(jī)。
四、渦輪流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)
渦輪流量計(jì)傳感器應(yīng)安裝在便于維修，管道無(wú)振動(dòng)、無(wú)強(qiáng)電磁干擾與熱輻射影響的場(chǎng)所。液體渦輪流量計(jì)的典型安裝管路系統(tǒng)如圖7所示。圖中各部分的配置可視被測(cè)對(duì)象情況而定，并不一定全部都需要。渦輪流量計(jì)對(duì)管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流是敏感的，進(jìn)入傳感器應(yīng)為充分發(fā)展管流，因此要根據(jù)傳感器上游側(cè)阻流件類(lèi)型配備必要的直管段或流動(dòng)調(diào)整器，如表2所示。若上游側(cè)阻流件情況不明確，一般推薦上游直管段長(zhǎng)度不小于20D，下游直管段長(zhǎng)度不小于5D，如安裝空間不能滿(mǎn)足上述要求，可在阻流件與傳感器之間安裝流動(dòng)調(diào)整器。傳感器安裝在室外時(shí)，應(yīng)有避直射陽(yáng)光和防雨淋的措施。
在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中, 我們發(fā)現(xiàn)渦輪流量計(jì)精度高, 測(cè)量范圍廣, 惰性小, 但測(cè)量信號(hào)易受到各種外界因素的影響, 所以常規(guī)的渦輪流量計(jì)示值擺動(dòng)不定, 誤差較大, 鑒于此, 我們?cè)诮梃b國(guó)內(nèi)外許多儀表的基礎(chǔ)上, 利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能型渦輪流量計(jì), 完成對(duì)流體瞬時(shí)流量的計(jì)量和監(jiān)控。 1.電磁流量計(jì)工作原理 1.1流計(jì)系數(shù) 在一般清況下, 渦輪流量計(jì)系數(shù)單位襯決定了流量和頻率的關(guān)系, 在不考慮溫度修正時(shí)二式中為流量計(jì)測(cè)得的脈沖數(shù)為同一時(shí)間測(cè)得的液體體積。利用單片機(jī)采集到的相應(yīng)脈沖個(gè)數(shù), 準(zhǔn)確計(jì)算出液體流量。 1.2體積單值的修正 在充分考慮工業(yè)液體的密度和溫度的影響時(shí), 傳感器處的體積單量值可修正為式中為標(biāo)準(zhǔn)條件下的傳感器系數(shù), 為流量計(jì)采集的脈沖數(shù)才為傳感器處的溫度, ℃。。為傳感器殼體的線(xiàn)膨脹系數(shù), ℃。。為傳感器 輪的線(xiàn)膨脹系數(shù), ℃通過(guò)對(duì)傳感器處的物理尺寸所做的溫度修正, 便可以由脈沖的個(gè)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)條件下的傳感器系數(shù), 求出液體流經(jīng)傳感器處的體積數(shù), , 然后算出工業(yè)液體密度, , , 利用下式計(jì)算出流體的質(zhì)量。 二夕式中凸, 為傳感器對(duì)應(yīng)的流體的密度, , ,為體積數(shù), , 為流體的質(zhì)量, 2.硬件設(shè)計(jì) 本儀表以單片機(jī)為核心, 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理并接收電機(jī)的開(kāi)關(guān)信號(hào)、鍵盤(pán)輸入信號(hào)、溫度補(bǔ)償信號(hào), 然后通過(guò)中間繼電器向電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)斷開(kāi)信號(hào), 并顯 剖面。整流器導(dǎo)流體的外徑設(shè)計(jì)同渦輪輪殼外徑。為了使流體的分布平均，要將整流器設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。材質(zhì)要求選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。 (3)渦輪 渦輪亦稱(chēng)葉輪，是傳感器的檢測(cè)元件，它由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，也可用嵌有很多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來(lái)增加一定數(shù)目葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率渦旋流量計(jì)。葉輪由支架中軸承支撐，與表體同軸，渦街流量計(jì)其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何外形及尺寸對(duì)傳感器機(jī)能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)。葉輪的動(dòng)平衡很重要，直接影響儀表機(jī)能和使用壽命。葉輪是變送器的敏感元件，也是樞紐元件，所以葉輪的設(shè)計(jì)將直接影響到變送器的機(jī)能好壞。因?yàn)閮x表常數(shù) k 是葉片安裝角β、頂隙 Δr 、葉柵重疊度以及暢通流暢截面的函數(shù)，所以選擇理想的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)是很重要的
流量計(jì)大全之渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與優(yōu)缺點(diǎn)(多圖)、渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
