液体涡轮流量计

一、液体涡轮流量计概述

   液体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。液体涡轮流量计由传感器和转换显示仪组成,传感器采用多叶片的转子感受流体的平均流速从而推导出流量或总量。转子的转速(或转数)可用机械、磁感应、光电方式检出并由读出装置进行显示和传送记录。据称美国早在1886年即发布过个液体涡轮流量计，1914年的认为液体涡轮流量计的流量与频率有关。美国的台下液体涡轮流量计是在1938年开发的，它用于飞机上燃油的流量测量.只是直至二战后因喷气发动机和液体喷气燃料急需一种高精度、快速响应的流量计才使它获得真正的工业应用。如今它已在石油、化工、科研、国防、计量各部门中获得广泛应用。

    流量计中下液体涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度的产品，而液体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、流通能力大和可适应高参数等.是其他两类流量计是难以达到的。

液体涡轮流量计是吸取了国内外流量仪表*技术经过优化设计，具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏安装维护使用方便等特点的新一代涡轮流量计，广泛用于测量封闭管道中与不锈钢1Cr18Ni9Ti、2Cr13及刚玉A12O3、硬质合金不起腐蚀作用且无纤维、颗粒等杂质，工作温度下运动粘度小于5×10-6m2/s的液体，对于运动粘度大于5×10-6m2/s的液体.可对流量计进行实液标定后使用。若与具有特殊功能的显示仪表配套，还可以进行定量控制、超量报警等，是流量计量和节能的理想仪表。

二、工作原理

     图1所示为涡轮流量传感器结构简图，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。检测线圈中的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。

涡轮流量计的流量方程可分为两种:实用流量方程和理论流量方程。

实用流量方程

qv=f/k——公式1

qm=qvp——公式2

式中：qv—为体积流量，m3/s;          qm—为质量流量，kg/s;

      f—为流量计输出信号的频率，Hz；K—为流量计的仪表系数，P/m3

    流量计的系数与流量(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。线性段约为其工作段的三分之二，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*，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*要注意防止空穴现象。结构相似的下液体涡轮流量计特性曲线的形状是相似的它仅在系统误差水平方面有所不同。

    传感器的仪表系数由流量校验装置校验得出.它*不问传感器内部流体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。

理论流量方程

  根据动量矩定理可以列出叶轮的运动方程

J(dw/dt)=M1-M2-M3-M4  公式3

式中：J—为叶轮的惯性矩；dw/dt—为叶轮的旋转加速度；M1—为流体的驱动力拒；M2—为粘性阻力矩；M3—为轴承摩擦阻力矩；M4—为磁阻力矩。

当叶轮以恒速旋转时，J(dw/dt)=0，则M1=M2+M3+M4。经理论分析与实验验证可得：

n=Aqv+B-C/qv  公式4

式中：n—为叶轮转速；qv—为体积流量；A—与流体物性(密度、粘度等)，叶轮结构参数(叶片倾角、叶轮直径、流道截面积等)有关的系数；C—与摩擦力矩有关的系数。

国内外学者提出许多理论流量方程，它们适用于各种传感器结构及流体工作条件。至今涡轮仪表特性的水动力学特性仍旧不很清楚.它与流体物性及流动特性有复杂的关系。比如当流场有旋涡和非对称速度分布时水动力学特性就非常复杂。不能用理论式推导仪表系数，仪表系数仍需由实流校验确定。但是理论流量方程有巨大的实用意义，它可用于指导传感器结构参数设计及现场使用条件变化时仪表系数变化规律的预测和估算。

三、液体涡轮流量计参数以及优缺点分析

液体涡轮流量计主要参数

a.仪表系数K:它表示单位体积流量通过涡轮流量传感器时传感器输出的信号脉冲频率。因此，根据脉冲频率数，除以仪表系数就得到流体的体积流量。一段时间内的脉冲总数除以仪表系数就得到流体在该时间段的累积流量。

b.公称通径DN和公称压力尸N.它们是涡轮流量计的系列数值。通常，公称通径有DN6-DN76O，公称压力PN范围从真空到414MPa。

c.测量范围。液体为0.036-130000/h;

d.压损。在流量时流量计的压损.气体压损0. 3kPa;液体压损7OkPa。

e.温度范围。工况允许的温度范围一般可在-270^-+650℃

f.线性度。与仪表系数有关，通常，液体可达0.25级(高精度可达0.15级)，气体达0.5级(高精度可达0.25级)。

g.重复性。液体±0.1%读数;气体±0.25%读数。

优点
1.测量精度高，复现性好，稳定可靠
2.范围度宽，一般6：1，可达40:1
3.线性度好
4.压损小(0.01~0.1MPa)，气体更低，外形无需开孔，可耐高压
5.系统响应快
6.抗扰性强，可远传
7.安装维护方便，结构简单
8.耐腐蚀性好，传感器可用耐腐材料
缺点
1.制造困难
2.因轴承磨损，需定时校准特性
3.对高黏度流体，其线性变差
4.受流体特性(密度、黏度)影响大
5.上、下游直管段长度要求高
6.对流体清洁度要求高
7.成本高
8.小口径仪表的精度下降

四、基本参数不与技术性能

1、技术性能

仪表口径及连接方式：4、6、10、15、20、25、32、40采用螺纹连接(15、20、25、32、40)50、65、80、100、125、150、200采用法兰连接

准确度等级：1、0.5

范围度： 1:10；1:15；1:10

仪表材质：304不锈钢、316(L)不锈钢等

被测介质温度(℃)：-20~+120℃

环境条件：温度-10~+55℃，相对湿度5%~90%，大气压力86~106KPa

输出信号：传感器：脉冲频率信号，低电平≤0.8V 高电平≥8V

          变送器：两线制4~20mADC电流信号

供电电源：传感器：+12VD、+24VDC(可选)

          变送器：+24VDC

          现场显示型：仪表自带3.2V锂电池

信号传输线：STVPV3×0.3(三线制)，2×0.3(二线制)

传输距离：≤1000m

信号线接口：基本型：豪斯曼接头，防爆型：内螺纹M20×1.5

防爆等级：基本型：非防爆产品，防爆型：ExdllBT6

防护等级：IP65

1. 测量范围及工作压力

表2 测量范围及工作压力

七、安装尺寸

  传感器的安装方式根据规格不同。采用螺纹或法兰连接，安装方式见图6、图7、图8，安装尺寸见表4。

八、流量计安装注意事项

点、安装场所

    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。涡轮流最计的典型安装管路系统如图9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5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。

第二点、连接管道的安装要求

    水平安装的传感器要求管道不应有目测可觉察的倾斜(一般在5°以内)，垂直安装的传感器管道垂直度偏差亦应小于5°。

    需连续运行不能停流的场所，应装旁通管和可靠的截止阀(见图9)，测量时要确保旁通管无泄漏。

    在新铺设管道装传感器的位置先介入一段短管代替传感器，待:“扫线”工作完毕确认管道内清扫干净后再正式接入传感器。由于忽视此项工作，扫线损坏传感器屡见不鲜。

    若流体含杂质，则应在传感器上游侧装过滤器对于不能停流的.应并联安装两套过滤器轮流清除杂质。

或选用自动清洗型过滤器。若被测液体含有气体.则应在传感器上游侧装消气器。过滤器和消气器的排污口和消气口要通向安全的场所。

    若传感器安装位置处于管线的低点，为防止流体中杂质沉淀滞留应在其后的管线装排放阀，定期排放沉淀杂质。

    被测流体若为易气化的液体，为防止发生气穴影响测量精确度和使用期限传感器的出口端压力应高于公式5计算的压力Pmin

Pmin=2ΔP+1.25Pv Pa  公式5

式中：Pmin—为压力，Pa；

Pv—被测液体使用温度时饱和蒸汽压，Pa。

    流量调节阀应装在传感器下游.上游侧的截止阀测量时应全开.且这些阀门都不得产生振动和向外泄漏。

对于可能产生逆向流的流程应加止回阀以防止流体反向流动。

    传感器应与管道同心，密封垫圈不得凸入管路。液体传感器不应装在水平管线的点.以免管线内聚集的气体(如停流时混入空气)停留在传感器处.不易排出而影像测量。

  传感器前后管道应支撑牢靠。不产生振动。对易凝结流体要对传感器及其前后管道采取保温措施。