摘(zhai)要：介(jie)紹了(le)一種國産(chan)寬量程氣體渦(wo)輪流量(liang)計 的工(gong)作原(yuan)理及(ji)渦輪(lun)的設計思想，闡述了(le)零阻力信(xin)号檢測(ce)法(fa)和儀表系(xi)數的(de)非線(xian)性修(xiu)正法(fa),并給(gei)出了室(shi)内檢定(ding)和工業現(xian)場的(de)試驗(yan)數(shu)據(ju)。檢定(ding)結果表(biao)明(ming)，該流(liu)量計與進口設(she)備的(de)計量(liang)結果基本一緻。目前(qian)這種(zhong)國(guo)産流量(liang)計已(yi)開始投入(ru)實際(ji)應用(yong)。
一、流量計(ji)概述
　　近年(nian)來,随着(zhe)各(ge)行業對成(cheng)本核算、貿(mao)易往(wang)來、節(jie)約能源、自(zi)動控(kong)制等(deng)工作的重(zhong)視,用(yong)戶對(dui)流量測量(liang)的需求(qiu)日(ri)益增(zeng)多,同(tong)時(shi)對流量(liang)計的測量精度(du)、量程(cheng)比、适用介(jie)，質等(deng)技術指标(biao)提出(chu)了(le)越來越(yue)高的(de)要求(qiu)。由于(yu)城市(shi)燃(ran)氣管網(wang)遍布于(yu)整(zheng)個城(cheng)市,考(kao)慮(lü)到(dao)供氣(qi)安全、管道(dao)的沿(yan)程壓(ya)力損失等(deng)問題，管道中的(de)介質(zhi)(液(ye)化(hua)天然(ran)氣、煤(mei)制氣)一般壓力較低(di)、流速(su)不高(gao),因此(ci)其流(liu)量測(ce).量有固有(you)的特殊性(xing)。另外(wai),因爲用(yong)氣高峰(feng)和低(di)谷時的管(guan)道内(nei)流(liu)量(liang)差距(ju)非常大,所(suo)以需(xu)要一種量程寬(kuan)、測量下(xia)限(xian)低的流量(liang)測量(liang)儀表(biao)。目前,國内(nei)外寬(kuan)量程(cheng)氣體流量(liang)計主(zhu)要有以下(xia)幾種(zhong)。
(1) 腰輪式(羅(luo)茨式(shi))氣(qi)體(ti)流量(liang)計 .這(zhe)是一種體(ti)積式(shi)測量儀表(biao),具有(you)測量下限(xian)低、量程寬(kuan)、精度(du)高、與(yu)介(jie)質物性(xing)參數(shu)關系不緊密等(deng)優(you)點。但對(dui)氣體(ti)的(de)潔淨程(cheng)度要(yao)求(qiu)較(jiao)高,使(shi)用中(zhong)需要(yao)加裝(zhuang)過濾裝(zhuang)置,并需(xu)要經常(chang)清洗。
(2) 熱(re)式氣體質量流(liu)量計(ji) 。該(gai)流(liu)量計是利用氣體傳(chuan)熱性能與其質量流(liu)量(liang)的關系(xi)測量(liang)流(liu)量,可測量很(hen).低的流速(su),具有較(jiao)寬的測(ce)量範圍,并具有(you)一定(ding)的抗(kang)雜質能力(li),是(shi)近年來(lai)發展很快(kuai)的一(yi)-種流量(liang)計。但由(you)于其(qi)工作原理(li)的局限(xian)性(xing)，易受(shou)氣體(ti)成分變化(hua)的影(ying)響，因此隻(zhi)适用(yong)于(yu)成分比較穩定的(de)氣體(ti)流量測量。.
(3) 渦輪(lun)氣體(ti)流量計 。該(gai)流量(liang)計(ji)是(shi)利用葉輪(lun)在氣體推(tui)動下的轉(zhuan)動來測量氣體的流(liu)量,具有(you)一(yi)定的(de)抗雜(za)質能力,并(bing)且不(bu)受氣(qi)體成分變(bian)化的影響(xiang)。該種流量(liang)計在(zai)國外使(shi)用(yong)較多(duo),而國産渦輪流量計(ji)由于其流(liu)量.下(xia)限較高,因(yin)此很(hen)少在(zai)城市(shi)燃氣管網上使用。
　　國(guo)内生産的(de)氣體(ti)渦輪流量(liang)計技(ji)術指标爲(wei)， 滿管式渦(wo)輪流(liu)量計 的流速測(ce)量範(fan)圍(wei)爲(wei)4~26m/s,精度(du)爲±1.5%;插人式渦輪(lun)流量計的流速測量範圍爲3~15m/s,精(jing)度爲(wei)±2.5%。
　　與(yu)國外同(tong)類産品相比,國(guo)内産(chan)品(pin)在(zai)流速測量的下限這(zhe)一指标上(shang)具有(you)較大(da)的差距,而(er)這一指标在城(cheng)市燃(ran)氣(qi)管網的(de)流量測量(liang)中極爲重(zhong)要。
　　爲(wei)提高(gao)渦輪流量(liang)計的量程比(bi)和擴展(zhan)其測(ce)量下(xia)限,研(yan)制出(chu)了(le)一種寬(kuan)量程(cheng)、低流(liu)速氣(qi)體的(de)渦(wo)輪流量(liang)計。這種(zhong)渦輪流(liu)量計(ji)的精度在(zai)Qmin~0.2Qmax時爲±2%,在0.2Qmax~Qmax時(shi)爲±1.5%,流(liu)速測(ce)量範(fan)圍爲(wei)0.3~10m/s.這種流量(liang)計爲(wei)插人(ren)式(shi)結(jie)構,适(shi)用于(yu).φ100~200口徑(jing)的管(guan)道,并(bing)具有維護(hu)方便的優(you)點。
二(er)、渦輪流量(liang)計工(gong)作原理
　　渦輪流(liu)量計 的(de)工(gong)作原(yuan)理示意(yi)圖如圖(tu)1所示。在管道中(zhong)心安放一(yi)個渦輪,流(liu)體(ti)通過時(shi)沖擊渦輪(lun)葉片(pian),對渦(wo)輪(lun)産生驅(qu)動力矩,使渦輪(lun)克服(fu)摩擦(ca)力矩(ju)和流體阻力矩(ju)而産(chan)生旋轉,其(qi)旋轉角(jiao)速(su)度與流體(ti)流速正相(xiang)關。由檢測(ce)探頭(tou)檢測(ce)出葉片轉(zhuan)動頻率(lü),輸(shu)入流(liu)量顯示(shi).積算儀(yi)得到瞬(shun)時(shi)流量(liang)和累計流量。
 
　　爲适(shi)應城市燃(ran)氣管(guan)網的(de)流量(liang)測量要求(qiu),應盡(jin)量拓寬(kuan)流(liu)量測(ce)量的下限(xian),即盡量降(jiang)低渦輪流(liu)量計(ji)的(de)始動流量qmin.建(jian)立了一種(zhong)渦輪流(liu)量計的理.論模(mo)型(xing)。在流(liu)體處(chu)于(yu)定(ding)常流(liu)狀态(tai)時,渦輪在(zai)流體的驅(qu).動力(li)矩T,作(zuo)用下(xia)轉動(dong)，阻力矩(ju)包(bao)括軸(zhou)與軸(zhou)承之間摩(mo)擦産生(sheng)的機械(xie)摩擦阻力(li)矩Trm.渦(wo)輪與流(liu)體之間(jian)産生(sheng)的流(liu)體阻(zu)力矩Trf,以及(ji)檢測探頭(tou)對(dui)渦(wo)輪産(chan)生的(de)電磁(ci)阻力(li)矩Tre,并(bing)應有以下(xia)平衡(heng)關(guan)系(xi):
 
　　由流(liu)體力(li)學3可知,當(dang)流體的流動處于湍(tuan)流(liu)狀(zhuang)态時(shi),流體(ti)産生(sheng)的摩擦力(li)正比于流(liu)速的(de)平(ping)方;當流動處于層(ceng)流狀(zhuang)态時(shi),其(qi)摩(mo)擦力正比(bi)于(yu)流速,所(suo)以摩擦力(li)均正相關于流速。當(dang)渦輪(lun)剛啓(qi)動而處于(yu)始動流量(liang)附近時(shi),顯(xian)然Trf趨(qu)近于零。故(gu)在分(fen)析始動(dong)流量時(shi)可不.考慮流體(ti)摩擦産生(sheng)的阻(zu)力，而僅(jin)考慮機(ji)械摩(mo)擦和(he)電磁(ci)阻力即可。
三、渦(wo)輪的設計(ji)與研(yan)究
　　渦(wo)輪流量計(ji)的流量計(ji)算可采用式(shi)(2):
 
式中qv一(yi)瞬時流量(liang),m³/s;
F一渦輪葉(ye)片(pian)産生的(de)信号(hao)頻率,Hz;
K一儀表系(xi)數,1/m³'。
　　在渦輪(lun)的設計方(fang)法中,首先(xian)要(yao)考慮的(de)是盡量保(bao).證儀(yi)表系數的線性(xing)度,然(ran)後(hou)才能用(yong)式(2)進行(hang)流量計(ji)算。爲(wei)了(le)滿(man)足線(xian)性度的要求,葉(ye)片一般設(she)計成按圖(tu)1所示(shi)的螺(luo)旋狀葉(ye)片(pian)。在渦輪的(de)研究(jiu)中,對(dui)于流(liu)量計(ji)的信息處(chu)理(li)采(cai)用了(le)計算機技術,可(ke)以對(dui)儀表系數(shu)的非線性(xing)進行實時修(xiu)正。這就(jiu)給葉片結構的設計(ji)提供了更(geng)廣闊(kuo)的空(kong)間,即設計(ji)時可以完(wan)全不考(kao)慮(lü)線性問題，而隻考慮(lü)能産(chan)生足(zu)夠大(da)的驅動力(li)矩和(he)盡量小(xiao)的(de)摩擦(ca).力矩(ju)即可(ke)。
　　在經(jing)過系列(lie)研究和(he)實驗(yan)之後,渦輪(lun)最終采(cai)用(yong)了由(you)圖2所(suo)示的(de)結構(gou)。葉片(pian)類似(si)于風(feng)扇葉(ye)片的形狀(zhuang),傾角45°,由(you)0.3mm厚的不(bu)鏽鋼薄闆整體(ti)沖壓而成(cheng)，葉片(pian)數量爲(wei)20片(pian)。這種(zhong)形狀的(de)葉片雖(sui)然非(fei)線性較大(da),但重量相(xiang)對較輕,這(zhe)對于降低(di)始動流(liu)量(liang)很有(you)好處,而(er)其非線(xian)性則可(ke)通(tong)過單(dan)片機(ji)進行(hang)曲線(xian)拟合的方法予以修正。
 
　　由(you)圖2可(ke)以(yi)看出,這(zhe)種渦輪沒有采(cai)用前(qian)後兩(liang)個:軸承的(de)結(jie)構,而是(shi)采用(yong)了(le)單軸承(cheng)式結(jie)構(gou)。軸承采(cai)用了(le)進口(kou)的微型滾(gun)動軸承。軸(zhou)爲固定(ding)不動,單(dan)軸承(cheng)安裝在軸(zhou)的中(zhong)間，由軸承(cheng)套固(gu)定(ding)葉片。這(zhe)種結構(gou)不(bu)僅減(jian)少了(le)軸承引人(ren)的機械摩擦,而且還(hai)克服(fu)了因(yin)前後軸承不同心而(er)産生的阻(zu)力。另外(wai),這種結(jie)構也(ye)有利于軸(zhou)承的(de)防塵,密閉性更(geng)好。
四、檢測(ce)探頭的研究
　　一般渦(wo)輪流量計(ji)采用内部(bu)嵌有(you)永久(jiu)磁鋼的線(xian)圈作(zuo)爲(wei)檢(jian)測探(tan)頭。葉(ye)片轉(zhuan)動時(shi)切割(ge)磁(ci)力(li)線産生感(gan)生(sheng)電(dian)勢,該(gai)電勢耦合(he)到線圈中(zhong)，在線圈兩(liang)端可産生(sheng)相應的周(zhou)期性(xing)變化(hua)的感(gan)應(ying)電(dian)勢。當(dang)渦輪轉速很低(di)時,可以觀(guan)察到它的轉動不穩(wen)定。當葉片(pian)運動(dong)到磁鋼附近時(shi),會出現(xian)一個減速甚至停(ting)頓的(de)過程(cheng),這是(shi)由永(yong)久磁鋼對(dui)葉片(pian)的吸引(yin)力即電(dian)磁阻(zu)力(li)造成的(de),因而(er)在研(yan)究渦輪的(de)轉速特性(xing)時,電(dian)磁阻力是(shi)一個(ge)必須(xu)予以(yi)重視(shi)的問(wen)題。
　　檢(jian)測探頭(tou)内(nei)部嵌(qian)有一個軟(ruan)磁性(xing)材料(liao)的(de)線圈,其(qi)工作(zuo)原理是以(yi)電渦(wo)流爲基礎(chu)(5]。在線圈中通以(yi)高頻(pin)激勵(li)信号(hao),周圍(wei)産(chan)生(sheng)一個高頻(pin)交變磁場(chang)中。當(dang)葉片(pian)處于這-.磁(ci)場中時,葉(ye)片中就會(hui)産生(sheng)電渦(wo)流。之後,該(gai)電渦流(liu)會産生一個(ge)阻礙高頻(pin)交變磁場(chang)中變(bian)化的磁場(chang),,進而(er)作用在線圈上(shang),對高(gao)頻激勵信(xin)号的(de)幅(fu)度與頻(pin)率予(yu)以調(diao)制。經(jing)信号(hao)處(chu)理(li)電路,可反(fan)映葉片的(de)頻率.變化(hua)。
　　該檢(jian)測過程可等效(xiao)爲,将線圈和葉(ye)片看作(zuo)爲--個電(dian)感L的原邊和次(ci)邊,L由(you)線(xian)圈的自(zi)感L小(xiao)、葉片(pian)的自感Lr以及它(ta)們的(de)互感M構成(cheng)0)。當葉(ye)片離開線(xian)圈時(shi),L中僅存在(zai)L;當葉(ye)片處于(yu)線圈位(wei)置時，由于(yu)互感(gan)M的作(zuo)用,感(gan)抗L是(shi)變化的,而(er)L作爲LC振蕩(dang)電路中的(de)電感元件,它的變化(hua)将改(gai)變振(zhen)蕩電(dian)路信(xin)号的(de)幅度與頻率。
　　采(cai)用這一電(dian)磁激(ji)勵結(jie)構,由于不(bu)産生電磁(ci)引力(li)，因此(ci)不存在電(dian)磁阻(zu)力,即(ji)
Tre=0
五、非(fei)線性(xing)修正的研(yan)究
　　如(ru)前所述,爲(wei)了降(jiang)低渦(wo)輪的(de)始動流(liu)量qvmin,并降低儀(yi)表(biao)系數K較(jiao)大的非(fei)線(xian)性，如(ru)何對非線性進(jin)行修正就是一(yi)個需(xu)要解決的(de)重要問(wen)題(ti)。
　　根據國家(jia)計量(liang)檢定(ding)規程(cheng)對速(su)度式流量計(ji)檢定點(dian)的規定”，檢(jian)定點(dian)包括(kuo)7個點(dian)，即qmin、0.07qmar、0.15qmar、0.25qmar.0.4qmar.0.7qmar和(he)qmar檢定點的(de)數量是有限(xian)的7個,而(er)流量(liang)計在(zai)使用(yong)中,流(liu)量測(ce)量在(zai)qmin~qmax範圍内(nei)爲(wei)任意(yi)的。這(zhe)樣(yang),流量計(ji)的檢定點(dian)和非檢定點(dian)就會遠(yuan)遠超過7個(ge)。圖3給(gei)出了(le)儀表.系數(shu)K與信号頻(pin)率F(或(huo)流量(liang)q)的典(dian)型非(fei)線性趨勢。
 
　　顯然不能再(zai)沿用(yong)平均儀表(biao)系數計算流(liu)量的方(fang)法,而(er)應該(gai)用式(3)來計算(suan)在對應(ying)頻率(lü)信号F時的儀表系數K,再用(yong)式(2)計算(suan)流量。
K=f(F)(3)
　　該拟合(he)公式(shi)的具(ju)體形式可(ke)用兩種方(fang)法求取,即(ji)折線法(fa)和(he)最小(xiao)二乘(cheng)方(fang)法。
　　折線(xian)法是指将每兩個相鄰檢定點(dian)用直(zhi)線相(xiang)連接(jie)。顯然,在(zai)檢定點(dian)上,其(qi)拟合(he)誤差(cha)爲零(ling),然(ran)而在非(fei)檢定點.上(shang)具有(you)較大(da)誤(wu)差。表1給(gei)出了一組(zu)典型(xing)的折線法非線(xian)性修正(zheng)拟(ni)合數(shu)據。
　　拟(ni)合誤差的(de)計算公式(shi)8]爲:
 
　　從(cong)表1可見(jian),在(zai)非檢(jian)定點處(chu)的(de)最大拟合(he)誤(wu)差(cha)達到(dao)±1.65%。
　　最小(xiao)二乘(cheng)方法得到(dao)的是一條(tiao)連續(xu)曲線(xian),其原則是(shi)使各檢定(ding)點到該曲(qu)線的(de)誤差(cha)平方和爲(wei)最小(xiao)。由(you)于(yu)檢定(ding)點上得到的數(shu)據并非标準值(zhi),其本(ben)身(shen)也(ye)具有(you)一定的誤(wu)差,而(er)且實(shi)際使(shi)用的(de)渦輪流量(liang)計K-F特(te)性曲(qu)線應(ying)該是(shi)連續的、平滑的,因此(ci)盡(jin)管在檢(jian)定點處的拟合(he)誤差(cha)不一(yi)定等(deng)于零,但(dan)用(yong)最小二乘(cheng)方法(fa)得到(dao)的連續(xu)曲線應(ying)該能更(geng)好地反(fan)映K-F關(guan)系的(de)本質(zhi)9]。表2給(gei)出了用最(zui)小二乘方(fang)法得(de)出的(de)一(yi)組(zu)非線(xian)性修正(zheng)拟(ni)合誤差數(shu)據(ju)。
 
　　由表2可(ke)見,最大拟(ni)合誤(wu)差僅爲±0.15%,遠優于(yu)折線法的(de)拟合(he)誤差(cha)結(jie)果。
六.渦(wo)輪流量計(ji)的應用
　　儀表樣機于(yu)1998年在天然氣和(he)煤制(zhi)氣調(diao)壓站(zhan)進行了試(shi)驗運行。在(zai)試驗(yan)管道(dao)上,均串聯美國德菜塞(sai)儀器公(gong)司的羅茨(ci)表氣(qi)體流(liu)量計(ji)(其精(jing)度爲(wei)±1%)作爲(wei)标準(zhun)表進(jin)行了比對(dui)。表3.表(biao)4分别給出(chu)了天然氣(qi)和煤(mei)制氣流量計試(shi)驗數(shu)據.
 
　　從試驗(yan)結果可以(yi)看出(chu),寬量(liang)程(cheng)氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量(liang)計(ji)的計量結果與價格(ge)昂貴的進(jin)口羅茨式儀表(biao)的計(ji)量結(jie)果基(ji)本一緻,該(gai)流(liu)量計可(ke)以用(yong)于城(cheng)市燃(ran)氣管(guan)網的流量(liang)計量(liang)。

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