由于城市天然氣管網和計量站分布在全國各地，如何確保測量數據的準確，如何及時發現問題、定期實施檢驗維護是一個難題，為此提出一種在線監測流量計運行狀態的方法，它是在渦輪流量計能同時監測流體的流量、溫度、壓力的基礎上進一步關注流量計本身的使用情況，通過對流量計壓損變化的監測，及時辨識流量計可能存在的運行故障風險，而間接提高儀表的計量準確度。本章從闡述流量計原理、結構、理論模型和特性分析開始，給出流體各參數的影響分析和監測方法原理，得出各參數計算和現場校正方法，***終將 4 個監測參數和流量計算結果同時顯示在監測界面上。
渦輪流量計的結構和工作原理：
圖 2.1 渦輪流量計簡要結構圖
VKqf ? （2-1）式中：K——儀表系數，
1/m3；q V——體積流量，
m3/s；
需說明的是在流量計的量程范圍內，K 值是不隨流量的變化而變化，其為常數并由實際標定得到。
渦輪流量計的理論模型和特性分析：
通常理想狀態下的渦輪流量計儀表系數是一常數，但實際上并不是如此，儀表系數與流量是成一定函數關系的，即為 K=f（q V）。為了明晰流量計的工作特性，下面對流量計的各力矩作一定性分析。
作用在渦輪上的力矩如圖 2.3 所示：Tr 為流體對渦輪葉片產生的驅動力矩；Tre 為磁鋼對磁性葉片有吸引而產生的電磁阻力矩；Trf 為流體對渦輪葉片產生的流動阻力矩；Trm 為軸與軸承之間摩擦產生的機械摩擦阻力矩。
圖 2.3 渦輪轉動力矩分析圖
那么由牛頓運動定律可得出其運動方程：rerfrmrTTTTdtdJ （2-2）式中：J——渦輪的轉動慣量， kg·m2；ω——渦輪的旋轉角速度，rad/s；在《流量測量手冊》中，川田裕郎等[68]提出了***通用的渦輪流量計驅動力矩和阻力矩理論模型。他認為可忽略影響較小的Tre且假設渦輪以恒定的ω旋轉，那么則有：
0;0dtdTre（2-3）
將公式（2-3）代到公式（2-2），可得到：???0rfrmrTTT （2-4）在公式（2-4）中 Trm 被近似為常數，
Trf 與流動狀態有關需在具體情況下分析，而要確定 Tr 需對渦輪作受力分析。經過相關分析后得出：???)(tan rAqqr TVVr??? （2-5）式中：r——葉片的平均半徑，
m；ρ——流體的密度，
kg/m3；A——流通截面積，
m2；由于旋轉角速度與流量有對應關系，可將公式（2-5）整理為：在函數關系 K=f（q V）和 K 與ω有具體表達式時：Zfqf KV??2;?? （2-7）式中：Z——渦輪葉片數，個；那么將公式（2-6）用儀表系數的形式表達：經過充分的簡化后，公式（2-8）即為流量計工作特性的數學模型。得到數學模型后可詳細分析其工作特性。在假設渦輪處于勻速狀態，且忽略 Trm 和 Trf 條件下：??0;0rfrmTT （2-9）再將儀表系數與流量之間的關系代到（2-8）公式后得到：2222tanVrfVrmVqrTqrTqr A ??????? （2-6）)tan(22222VrfVrmqrTqrTr AZK??????? （2-8）r AZK??tan2??
由公式（2-10）可知 K 值僅與儀表結構參數（r、Z、A、θ）有關，而與 q V的變化無關。那么在確定了儀表結構后，K 就為一常數，若在 K-q V 的二維圖上表示，即為一條平行于橫軸的直線。
上述的分析是在理想的狀況下。實際上渦輪要能轉動需***小流量值 q Vmin來克服靜摩擦力矩。計算 q Vmin 時，認為渦輪剛轉動，其ω非常小，可忽略 Trf的影響，即：
由公式（2-13）可知，影響 q Vmin 的因素有三方面：機械摩擦阻力矩、流體密度和儀表結構參數（r、A、θ）。獨立分析三方面因素時，發現若ρ越大，q Vmin則越小。在氣體流量測量時溫度會對密度有極大的影響，從而使得 K-q V 曲線向左平移。另外若 Trm 越小，q Vmin 也將越小，那么小流量區段范圍會變寬，從而得到好的小流量特性。
隨著流量逐漸增大，Trf 成了不能忽略的影響因素。而 Trm 因較小而被忽略：?0rmT （2-14）將公式（2-14）代到公式（2-8），即可得到：由于流體狀態不同，阻力矩的產生會有所不同，這時將其分為層流和湍流兩種流動狀態來分析。層流時 Trf 與流體粘度μ和ω有關，而ω與 q V 成正比，那么：)tan(222VrmqrTr AZK?????（2-12）?? tan1minrATqrmV?? （2-13）)tan(222VrfqrTr AZK????? （2-15）
由公式（2-19）可知，湍流狀態時儀表系數僅與儀表結構參數（r、Z、A、θ）有關，而與其他參數無關。在流量計使用時，將此區間作為測量范圍。在對流量計的四種狀態分析后，可得出 K-q V 曲線如圖 2.4 所示。
圖 2.4 渦輪流量計特性曲線圖
從圖 2.4 可見，實際特性曲線上，層流與湍流狀態的交界點上 K 有一個峰值，而這是因為在層流狀態時，Trf 較湍流狀態時要小一些。說明此峰值主要受μ的影響，若μ越大，此峰值就會向大流量值的方向移動。)tan(221VqrCr AZK??????（217）)tan(222rCr AZK ????（2-19）
由上述分析可知，若 K-q V 特性曲線具有理想特性，無論流量如何變化，總可使得流量誤差為零。但實際上曲線為一般的特性曲線，在流量計的測量范圍內，隨著流量的變化，儀表系數也會有一些較小的變化，若變化的幅度越小，那么流量計的測量準確度就會越高。
多參數測量分析：
流量測量數學模型：
v AtVqV???? （2-20）v Atmqm????? （2-21）式中：V——流體體積，
m3；m——流體質量，
kg；t——時間，
s；v——管道內的平均流速，
m/s；A——管道橫截面，
m2；ρ——流體密度，
kg/m3；累積流量是一段時間內流體通過管道橫截面的流體總量，它是流體對時間的積分量，一般以體積總量 V 或質量總量 m 表示。??21ttVdtq V
dtqmttm??21（2-23）在現代的工業生產過程中有著各種不同的流量測量方法，這些測量方法是基于不同的流量測量原理，對于渦輪流量計而言，它是通過檢測出渦輪的旋轉頻率，而得到流量。KfqV? （2-24）?KNV （2-25）式中：f——信號脈沖頻率；N——信號脈沖頻率總量；K——儀表系數，
1/m3；
差壓測量數學模型：
在選擇渦輪流量計時，除了要求其具有準確度高、可靠性好和量程大等優點外，壓力損失小也是一個重要指標。流量計的壓力損失會造成能量的消耗，壓力損失越小，所需驅動的動力將減少，這不單節約能源，還能減小測量的誤差。
如果是在暢通的流體管道中，流體所受的阻力是非常小的，但若是在通道中裝上一可動部件，那么管道流體的壓力就發生了變化，這時部件兩端會出現明顯的壓力差，而這壓力差值與流速有著對應的關系。通過傳感器測量壓力差，就可測得流速[70]。其計算公式為：
22?????P （2-26）式中：α——壓損系數；
溫度和壓力的影響：
t Ct V1??? ? （2-27）式中：Ct V ——溫度修正系數；β——被測流體溫度膨脹系數，
1/℃；Δt ——工況溫度與標定溫度的差值，℃；壓力變化引起流體體積的變化，從而造成流量計儀表系數的變化，對其的修正為：aaddp VFpFpC???11（2-28）式中：Cp V ——壓力修正系數；pd ——標定時的壓力，
Pa；Fd ——標定下被測流體的壓縮系數，
1/Pa；pa ——工況時的壓力，
Pa；Fa ——工況下被測流體的壓縮系數，
1/Pa；另外，在被測流體溫度和壓力發生變化時，是無法比較流體的體積流量，
這時需將工況下的體積流量統一轉換為標準狀態下的體積流量，而這除了需要測量工況下的壓力外還需測量工況下被測流體的熱力學溫度。
在線監測方法：
對于渦輪流量計的狀態是指渦輪流量計運行的工況，由流量計運行過程中各物性參數以及影響準確計量的影響因素和儀表的結構性能指標參數來描述，并通過測定以上參數，通過參數的高低判斷流量計狀態。分析流量計運行狀態的好壞：正常、異常和故障三種。而對流量計進行定期或連續監測，包括采用各種測試、分析判別方法，結合儀表的歷史狀況和運行條件，弄清流量計的客觀狀態，獲取流量計性能發展的趨勢規律，為流量計的性能評價、合理使用、安全運行及故障診斷打下基礎。當狀態監測判別有異常時，通過故障診斷進一步確定故障的性質、嚴重程度、故障類型、故障部位、故障原因，乃至說明故障發展趨勢對未來的影響。
當前我國尚未制定出行之有效的渦輪流量計在線監測方法，也沒有比在線流量計計量精度等級高三倍以上的標準流量儀表，因此提出采用差壓變送器測量出被測流量計進出口兩端的差壓，在已知儀表相關參數的條件下，利用由流量計瞬時流量與溫度、壓力以及壓損關系判斷流量計是否正常運行的判別方法求得流量，并作為參考流量值進行在線比對。它是以解決渦輪流量計在線監測問題的一種新型的氣體流量儀表在線監測方法。
其中渦輪流量計在線監測系統的上位機基于.NET 平臺中的 C#語言編寫，由上位機發出指令開始監測，并將采集到的被測流量計的脈沖信號、壓力變送器測得的壓力值、差壓變送器測得的差壓值、溫度變送器測得的溫度值通過數據采集模塊傳輸給上位機。上位機監測程序將采集到的流量計的脈沖頻率信號通過相關的計算得到被測流量計的瞬時流量值，在經過公式積分計算出監測時間 T 內被測流量計的累積量。管道測量介質為空氣，流過被測流量計的瞬時流量按照公式（2-29）計算如下：
TZPZPTKNqbbbV?? （2-29）式中：q V ——流過被測流量計的瞬時流量，
m3/h；N——被測流量計的脈沖數，無量綱；K——被測流量計的儀表系數，單位 1/m3；Pb、Tb、Zb——分別為標準狀態下空氣的壓力、熱力學溫度和壓縮
系數即 Pb=101.325k Pa、Tb=293.15K、Zb=1；P、T、Z——分別為工況下傳感器測得的壓力、熱力學溫度和壓縮系數，單位分別為 Pa、K、無量綱，常壓下 Z=1。同時上位機將采集到的溫度、壓力、差壓數據，利用由流量計瞬時流量與溫度、壓力以及壓損關系判斷流量計是否正常運行的判別方法計算出被被測流量計的計算瞬時流量，積分計算出監測時間內流過被測流量計的累積流量。渦輪流量計的壓力損失與渦輪的驅動、管道內部的摩擦以及流體的速度和方向有關。被測流量計進、出口差壓變送器測量到的壓損與流量之間的關系為：（2-30）式中：ΔPmax——標準狀態下，介質為干空氣（20℃，
101.325k Pa，
ρ=1.205kg/m3）時，***大流量的壓力損失，
k Pa；ρb——標準狀態（20℃,101.325k Pa）下的介質密度，
kg/m3；P——工況下壓力檢測點的壓力，
k Pa；Pb——標準大氣壓，
Pb=101.325k Pa；Tb——標準狀態下的溫度，
Tb=293.15K；T——工況下溫度檢測點的溫度，
K；q V——被測流量計的瞬時流量，
m3/h；q Vmax——標準狀態下被測流量計***大工況瞬時流量，
m3/h。
由壓力變送器測出壓力值 P，溫度變送器測出溫度值 T，
ΔPmax 和 q Vmax 及ρb由查表得出，即可計算出流過被測流量計的瞬時流量 q V1，進而積分計算出監測時間內的理論氣體累積流量 Q1，以此作為參考流量值。被測流量計的示值誤差按公式（2-31）計算：（2-31）式中：Q——被測流量計示值（累積值），
m3；Q1——被測流量計計算值（累積值），
m3。比較兩者的流量值，得出被測流量計的示值誤差。由此，在規定的監測數據采集時間 T 內，就差壓變送器測量被測流量計的前后壓力變化與流量計流量變化及儀表精度進行分析，將測得的差壓與同一時間內脈沖數計算出被測流量計的瞬時流量擬合成差壓流量曲線，并存入數據庫中。同時選擇保存不同時間段監測計時內的差壓流量曲線圖，在當前的監測時%10011???QQQE間里調用前后時間段的差壓流量曲線進行比對，分析被測流量計的瞬時流量是否有明顯變動或是其偏差是否超過使用中***大允許偏差。同時還利用當前測得的數據與被測流量計的基本參數計算出被測流量計的實時計算瞬時流量，再與此流量計同一時間內脈沖數計算出的被測流量計瞬時流量對比，判別流量計是否始終在合理的使用流量范圍內或是否有異常及跳變。
另外監測系統通過運行狀態好壞的評定標準，實時監測被測流量計的壓損損耗是否超出正常合理范圍值，并及時分析和排除故障原因。且由于溫度和壓力及壓損對流量計的影響不能忽視，所以將實時采集到的溫度和壓力及差壓等參數信息在監測界面上實時顯示，以此能準確評估溫度、壓力、差壓變送器的測量穩定性。
在線監測系統的設計方案：
渦輪流量計在線監測系統主要由測試系統（被測渦輪流量計、溫度和壓力及差壓變送器、管路）、數據采集模塊和裝有監測軟件的計算機組成，所見圖2.5 在線監測系統結構示意圖。其監測及設計依據參照《渦輪流量計檢定規程》，設計測量范圍為（8~250）m3/h，可對 DN50 和 DN80 的氣體渦輪流量計進行在線監測。
圖 2.5 渦輪流量計在線監測系統結構示意圖
如圖 2.5 所示，從左往右，前直管道出口通過法蘭與被測流量計進口連接，前直管道長度滿足大于等于 10DN(DN 為渦輪流量計公稱通徑)的要求，在距被測流量計進口端 4DN 的前直管道上裝有壓力變送器，取壓孔徑根據所選壓力變送器型號規格來確定。被測流量計的出口通過法蘭與后直管道連接，在距被測流量計進口端 1DN 的前直管道上鉆一取壓孔通過軟管連接差壓變送器高壓端，
在距離被測流量計出口端 1DN 的后直管道上鉆一取壓孔通過軟管連接差壓變送器低壓端，取壓點均為圓形取壓孔且鉆孔直徑 6mm。差壓變送器用作被測流量計壓力損失測量及差壓流量的計算。后直管道長度滿足大于等于 5DN 的要求，在距被測流量計出口端 2DN 的后直管道上裝有溫度變送器，測溫孔徑根據所選溫度變送器型號規格來確定。被測流量計前直管道上安裝壓力變送器，后直管道上安裝溫度變送器，它們用以進行工況流量的修正及差壓流量的計算。
通過渦輪流量計在線監測系統采集監測對象數據，對測試系統中的流體實行數據化的分析和處理，數據采集模塊經 RS-485 轉換連接到監測系統的串口上，監測界面為技術人員提供詳細的運行情況資料，以此達到對流量計的在線監測和及時發現安全隱患的目的。
各類傳感器的選型：
渦輪流量計的管路前直管段上應裝有測壓儀表，后直管段上裝有測溫儀表，以進行工況流量的修正。在考慮測量精度和性價比以及比較市場上的多類產品后，***終測壓儀表選用羅斯蒙特 3051 系列，測溫儀表選用 Pt100 熱電阻類型的久茂產品。
在監測系統中，壓力變送器為 1 臺絕壓變送器，其測量范圍（80~120）k Pa，1 臺差壓變送器測量范圍（-20~20）k Pa，精度均為滿量程 0.075%，輸出基于HART 協議的（4~20）m A 電流信號，供電電壓 24V。溫度變送器 1 臺，其測量范圍（5~45）℃，精度在 0.2℃以內，輸出基于 HART 協議的（4~20）m A電流信號，供電電壓 24V。其中絕壓變送器用于壓力測量及計算流量計的流量；差壓變送器用于測量流量計兩端的差壓及計算流量計的流量。差壓變送器的測壓點在流量計進出口直管段 50mm 處，測壓孔為美制 1/4NPT 內螺紋內孔，與直管段壁垂直，壓力分接點分別連接 10mm 的軟管；溫度變送器用于測量流量計后直管段管道氣體溫度及計算流量計的流量。
本章小結：
本章從渦輪流量計結構特點出發，通過研究流量計的結構原理和理論模型以及特性，分析了溫度、壓力、壓損等物性參數對流量計的影響，獲得由流量計瞬時流量與溫度、壓力以及壓損關系判斷流量計是否正常運行的判別方法，并將此方法應用到了渦輪流量計管理維護和故障分析的在線監測系統上。
