渦輪流量計|智能積算儀|廠家價格選型說明
摘 要：對漩渦流動、脈動流、黏度等因素影響渦輪流量計特性的機理進行了討論，對相關補償測量精度的方法進行了介紹，并在此基礎上對實際工程中渦輪流量計安裝的基本原則進行了總結。
渦輪流量計是一種速度式流量測量儀表， 具有高精度、寬量程、脈沖輸出等優點，在工業生產過程被廣泛應用［1-4］。 由于被測對象的流動狀態和黏度等因素會對渦輪流量計的特性造成較大影響， 因此如不采取相應修正措施，會導致測量結果產生較大誤差。 可見，了解和掌握各類因素對渦輪流量計特性的影響機理，并研究補償措施， 對提高渦輪流量計的測量精度具有重要意義。
1、流量測量精度影響因素：
1.1、渦輪流量計原理：
渦輪流量計的原理如圖 1 所示，結構如圖 2 所示。渦輪流量計主要由殼體組件、葉輪組件、前后導向架組件、壓緊圈和帶前置放大器的磁電感應轉換器等組成。在被測流體沖擊下，渦輪沿管道軸向旋轉，其旋轉速度隨流量的變化而變化，流量大則渦輪轉速也大。磁電感應轉換器將渦輪的轉速轉換為相應頻率的電脈沖，送入顯示儀表進行累積和顯示。 根據單位時間內脈沖數和累積脈沖數，即可求出瞬時流量和累積流量。
在一定流量和流體黏度范圍內， 渦輪流量計輸出的信號脈沖頻率 F 與通過渦輪流量計的體積流量 qv成正比，即：
| F=Kqv | （1） |
式中：K 為渦輪流量計儀表常數，1/L。
| ▲圖 1 | 渦輪流量計原理 |
▲圖 2 渦輪流量計結構
將測得的信號脈沖頻率除以儀表常數， 即可得到體積流量。
渦輪流量計的理想工作狀態是儀表常數 K 為常數， 但實際使用中渦輪流量計的儀表常數與體積流量呈函數關系，即 K=f（qv），影響該函數關系的主要因素有外部流狀態、流體黏度等，因此在實際使用時，需要考慮消除或修正這些因素的影響［5］。
1.2、外部流狀態對渦輪流量計特性的影響：
渦輪流量計的性能在實際使用中會受到漩渦流動、脈動流等的影響。漩渦流動狀態與上游管道狀況有關，脈動流則由壓氣機、鼓風機、旋轉式機械等產生，會影響渦輪流量計的特性。
1.2.1、漩渦流動：
漩渦流動會直接影響渦輪流量計葉片的受力情況，進而對測量精度產生影響。針對漩渦流動對渦輪流量計的影響，學者們進行了大量研究。哈爾濱工業大學張新平將管道內有旋轉流存在的流場作為研究對象，研究了旋轉強度、渦輪流量計儀表精度與上游直管段長度之間的關系， 得到了旋轉強度與上游直管段的關系：
| Sw=be-cx | （2） |
式中：Sw 為旋轉因數， 用于表征漩渦強度；b 和 c 為與流體性質、雷諾數和流量有關的常數，需要通過試驗確定， 對于不可壓縮流體，b 取值為 0.030～0.085，c 取值為 0.10～0.50；x 為上游直管段長度 X 與上游直管段直徑 D 的比值。
儀表精度 δ 與 x 的關系為：
| δ= | K-K0 | ×100%=αe-dx | （3） |
| K0 | |||
式中：α、d 為待定因數；K0 為出廠所標定的儀表常數。
將試驗所得 b、c 值代入式（2），可知隨著上游直管段長度的增加，漩渦流動的旋轉流強度會隨之衰減，即Sw 值變小。 由式（3）可知，渦輪流量計越靠近漩渦流動的源頭，渦輪流量計的精度就越差，即 x 越小，δ 越大。因此，在安裝渦輪流量計時，增加其上游直管段長度以削弱漩渦流動對渦輪流量計精度的影響是有益的。
應啟戛等［6］對渦輪流量計在漩渦流動中的特性進行了研究， 計算了上游直管段長度變化時儀表常數的變化情況。 圖 3 為 X=3D、X=9D、X=15D 時，渦輪流量計分別在正旋來流、負旋來流的條件下，儀表常數隨體積流量的變化趨勢。由圖 3 可看出：渦輪流量計上游直管段越長，漩渦流動對儀表常數影響就越小，這一趨勢與張新平所得結論一致； 正旋轉來流會使儀表常數偏大，而負旋轉則會使儀表常數偏小。
1.2.2、脈動流：
脈動流指流體在測量區域流速是時間的函數，但在一個足夠長的時間段內有一個恒定的平均值。 國內外學者針對進口脈動流脈動頻率對渦輪流量計的影響規律進行了一系列研究， 并得出進口脈動流對渦輪流量計測量誤差的影響規律［7］。 圖 4 為李文、應啟戛［8］針對進口脈動流不同的脈動頻率對測量誤差的影響進行研究所得到的結果，由圖 4 可以看出：進口脈動流會導致渦輪流量計測量結果出現正誤差， 即測量值與真值相比偏大； 當進口脈動流的脈動頻率小于渦輪流量計葉輪角頻率時，渦輪流量計測量結果接近真實值，進口脈動流所引起的測量誤差很小； 當進口脈動流的脈動頻率大于渦輪流量計葉輪角頻率時， 進口脈動流所引起的測量誤差則較大。
▲圖 3 正負旋來流對渦輪流量計儀表常數的影響
▲圖 4 脈動頻率對測量精度的影響趨勢
1.3、黏度對渦輪流量計特性的影響：
渦輪流量計在使用過程中， 當被測流體黏度與標定流體黏度不相同時，也會引起誤差。 通過研究發現，盡管被測流體黏度變化極其微小， 但渦輪流量計的性能卻會發生很大變化。 圖 5 所示為渦輪流量計測量不同黏度（1 cSt=1 mm2/s）時儀表常數隨體積流量的變化趨勢。
▲圖 5 不同黏度時渦輪流量計典型特性曲線
由圖 5 可知，當被測流體黏度從小逐漸增大時，渦輪流量計的線性測量區間隨之減小。 線性區間表示儀表常數基本不隨體積流量的變化而變化。 當被測流體黏度較大，在 47～170 cSt 區間段時，渦輪流量計的特性曲線甚至不會出現線性區間［9］。雖然國內外學者展開了大量研究， 但目前仍然沒有一套詳細完整的理論可以描述被測流體黏度變化對渦輪流量計特性的影響規律。 已有研究得到的被測流體黏度變化影響渦輪流量計特性的重要結論如下：被測流體黏度會影響流體進入渦輪流量計葉輪之前的速度剖面，從而影響渦輪流量計的特性；被測流體黏度對渦輪流量計葉輪前流體軸向流速分布有影響， 從而影響渦輪流量計的特性；在測量低黏度流體時，主要是渦輪流量計上游流體速度剖面的變化對儀表常數產生影響；在測量高黏度流體時，由被測流體黏度和渦輪流量計葉輪阻礙作用而引起的葉輪前流體軸向流速的重新分布對儀表常數的影響， 比渦輪流量計上游流體速度剖面變化對儀表常數的影響更大［9-10］。
2、修正外部因素影響的方法：
2.1、外部流狀態影響消除與修正：
渦輪流量計特性曲線要保持良好的線性關系，流過渦輪流量計的流體應為充分發展的流型， 即管道內流體流速基本趨于穩定，以消除漩渦流、脈動流等的影響。為保證流經渦輪流量計的流體充分發展，在渦輪流量計上下游均應有足夠長的直管段， 這樣流體才能形成充分發展的流型。但是由于安裝條件的限制，充分發展的流型往往難以形成， 因而會影響渦輪流量計的性能。學者們從兩個方面進行了大量研究，以消除或補償這一影響， 一方面研究渦輪流量計對應不同的上游管配件所需的實際上下游直管段長度， 另一方面研究在無法達到所需上下游直管段長度時對流量計特性的影響及相應補償方法。
| X=0.35KnDn/μ | （4） |
式中：μ 為管道內摩擦因數；Kn 為漩渦速度比［1］，由渦輪流量計上游管線特征確定。
表 1 為典型管線結構的 Kn 值。
表 1 典型管線結構 Kn 值
| 序號 | 上游管線特征 | Kn |
| 1 | 同心漸縮管 | 0.75 |
| 2 | 有一個 90°彎頭 | 1.0 |
| 3 | 在同一平面內有兩個 90°彎頭 | 1.25 |
| 4 | 在不同平面內有兩個 90°彎頭 | 2.0 |
| 5 | 渦輪流量計前有半開閥門 | 2.5 |
| 6 | 渦輪流量計前有全開閥門 | 1.0 |
在上游直管段長度無法達到流場充分發展所需的長度時，需要從漩渦、脈動流等外部流造成的影響規律角度出發，獲得修正曲線或公式。針對脈動流和上游速度剖面、漩渦流動等問題，國內外學者提出了不同的測量模型和測量方法。
Cheesewright 等 ［11］對渦輪流量計測量脈動流的誤差校正方法進行了現場測試， 采用軟件預測真實體積流量，精度可以達到 1%。
Jungowski 等 ［12］對單葉輪渦輪流量計特性受脈動流影響進行了試驗研究，結果表明，儀表誤差主要依賴于流速脈動的幅值， 并提出通過測量渦輪流量計上游或下游動態壓力來確定傳感器誤差的方法。
李文、應啟戛［8］通過渦輪流量計數學模型，得出了正弦脈動流作用下葉輪旋轉角速度與脈動頻率、 振幅之間的理論關系， 給出了脈動流影響渦輪流量計測量精度的規律。
Islam 等 ［13］通過試驗系統研究了上游流體速度剖面對渦輪流量計儀表常數、線性度、可用體積流量范圍和壓力損失的影響， 采用了三種整流器消除上游流體速度的剖面歪斜（速度剖面呈不對稱分布）影響，并對三種整流器的效果進行了比較。
張新平［14］以管道內有旋轉流存在的流場為研究對象， 對渦輪流量計儀表常數與旋轉數及體積流量之間的關系進行了研究，對儀表的精度進行了預測。
2.2、黏度影響消除與修正：
針對流體黏度對渦輪流量計測量性能影響的問題，國內外學者進行了大量研究，這些研究從方法上而言可分為兩大類： 一類著眼于對現有渦輪流量計的研究，通過試驗結合理論推導得到黏性修正曲線，以得到不同流體黏性時的體積流量轉換關系， 稱為軟件補償法； 另一類著重于設計出盡可能消除黏性影響的渦輪流量計， 以避開由于標定流體與工作流體黏性不同所引起的誤差，稱為硬件補償法。
2.2.1 軟件補償法
軟件補償法主要通過理論和試驗研究來得到黏度影響修正算法，目前應用比較廣泛的是通用曲線法。這
一方法通過量綱關聯分析方法得到一個無量綱的流體黏度和體積流量之間的 G 函數關系式：
| qv | =G（F | D2 | ） | （5） |
| FD3 | v | |||
式中：qv 為流體的體積流量，m3/s；v 為被測流體的黏度，m2/s。
經過驗證，式（5）在渦輪流量計黏度修正方面是行之有效的，但是在測量微小流量時偏差很大。
各種黏度修正算法的共同點是必須預先知道被測流體的黏度，然而一般直接測量流體的黏度比較困難，通常采用實時測量流體溫度， 再通過黏度與溫度的關系式換算出黏度。由于溫度對黏度影響較大，因此溫度測量精度、 黏度計算精度均會對渦輪流量計黏度補償的精度有所影響， 這同時導致了軟件補償法的精度一般不是很高。
2.2.2、硬件補償法：
被測流體黏度變化影響渦輪流量計性能的機理如下：被測流體黏度變化引起雷諾數變化，從而引起渦輪流量計葉片入口環形通道橫截面上的流體速度剖面變化，該速度剖面變化會導致渦輪流量計性能變化，進而對儀表常數造成影響。因此，優化渦輪流量計外殼內壁葉輪前面部分的形狀、 減小流體速度剖面隨被測流體黏度的變化， 是從硬件角度降低渦輪流量計對被測流體黏度變化敏感度的重要研究方向。
另一方面， 渦輪流量計的葉片頂端與傳感器外殼之間間隙的變化對渦輪流量計性能也有很大影響。 被測流體黏度變化時， 渦輪流量計的葉片頂隙中流動阻力發生變化， 使渦輪流量計葉片的流體體積流量也發生變化，渦輪流量計葉輪轉速隨之受到影響。適當選擇間隙大小， 能起到降低渦輪流量計對被測流體黏度變化敏感度的作用。
渦輪流量計性能還受渦輪流量計葉片表面被測流體黏性阻力矩的影響。 渦輪流量計葉片表面黏性阻力的圓周向分量決定了渦輪流量計葉輪阻力矩的大小，也會間接影響渦輪流量計葉輪的轉速。 優化渦輪流量計葉片幾何參數，減小黏性阻力矩，降低其受被測流體黏度變化影響， 同樣是降低渦輪流量計性能受被測流體黏度變化影響的途徑之一［7，9］。
4、渦輪流量計廠家產品價格：
渦輪流量計價格：
| 價格 | ¥ 200.00~6500.00 |
| 起批量 | ≥1 臺 |
渦輪流量計參數：
| 加工定制 | 是 | 品牌 | 華云 | 型號 | LWQ |
| 類型 | 渦輪流量計 | 測量范圍 | 其它（m3/h） | 精度等級 | 1.5 |
| 公稱通徑 | DN25-300（mm） | 適用介質 | 氣體 | 1 | 1 |
| 用途 | 測氣體 |
4.1、產品說明：
LWQ系列氣體渦輪流量計是吸取了國內外流量儀表先進技術經過優化設計，綜合了氣體力學、流體力學、電磁學等理論而自行研制開發的集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體的新一代高精度、高可靠性的氣體精密計量儀表，具有出色地低壓和高壓計量性能，多種信號輸出方式以及對流體擾動的低敏感性，廣泛適用于天然氣、煤制氣、液化氣、輕炔氣等氣體的計量。
該產品經防爆產品質檢部門按GB3836.2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第1部：通用要求》 ，GB3836.2-2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第2部分：隔爆型“d”》和GB3836.4-2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第4部分：本質安全型“i”》標準檢驗合格，防爆標志為ExdⅡBT6（隔爆型）、ExiaⅡCT6（本安型）。適用于含有ⅡA、ⅡB、ⅡC類T1～T6溫度組別爆炸性氣體混合物的0（僅本安型）、1、2區危險場所。
4.2、產品特點：
n 優質合金渦輪，具有更高的穩流和耐腐蝕作用
n 進口優質專用軸承，使用壽命長
n 計量室與通氣室隔絕，保證了儀表的安全性
n 可檢測被測氣體的溫度、壓力和流量，能進行流量自動跟蹤補償，并顯示標準狀態下（Pb=101.325KPa,Tb=293.15K）的氣體體積累積量；可實時查詢溫度壓力數值
n 流量范圍寬（Qmax/Qmin≥20:1)，重復性好，精度高（可達1.0級），壓力損失小，始動流量低，可達0.6m3/h
n 智能化儀表系數多點非線性修正
n 內置式壓力、溫度傳感器，安全性能高、結構緊湊、外形美觀
n 儀表具有防爆及防護功能，防爆標志為ExdⅡBT4、ExiaⅡCT4， 防護等級為IP65
n 系統低功耗工作，一節3.2V10AH鋰電池可連續使用3年以上
n 儀表系數、累計流量值掉電十年不丟
4.3、工作原理:
當流體流入流量計時，在進氣口專用一體化整流器的作用下得到整流并加速，由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，此時渦輪產生轉動力矩，在克服摩擦力矩和流體阻力矩后，渦輪開始旋轉。在一定的流量范圍內，渦輪旋轉的角速度與流體體積流量成正比。根據電磁感應原理，利用磁敏傳感器從同軸轉動的信號輪上感應出與流體體積流量成正比的脈沖信號，該信號經放大、濾波、整形后與溫度、壓力傳感器信號一起進入智能流量積算儀的微處理單元進行運算處理，并把氣體的體積流量和總量直接顯示于LCD屏上
4.4、技術參數：
4．5 基本參數：
表1
|
型號規格 |
公稱通徑 （mm） |
流量范圍 （m3/h） |
始動流量 （m3/h） |
工作壓力 （MPa） |
安裝形式 |
|
LWQ-25 |
25 （1"） |
2.5-25 |
1 |
4.0 |
法蘭（螺紋） |
|
LWQ-40 |
40 （1.5"） |
5-50 |
1.8 |
4.0 |
法蘭（螺紋） |
|
LWQ-50 |
50 （2"） |
6-65 |
2.5 |
4.0 |
法蘭（螺紋） |
|
LWQ-65 |
65（2.5"） |
15-200 |
4.5 |
1.6 |
法蘭 |
|
LWQ-80 |
80 （3"） |
13-250 |
6 |
1.6 |
法蘭 |
|
LWQ-100 |
100（4"） |
20-400 |
8 |
1.6 |
法蘭 |
|
LWQ-125 |
125（5"） |
25-700 |
12 |
1.6 |
法蘭 |
|
LWQ-150 |
150（6"） |
32-650 |
15 |
1.6 |
法蘭 |
|
LWQ-200 |
200（8"） |
80-1600 |
35 |
1.6 |
法蘭 |
|
LWQ-250 |
250（10"） |
130-2500 |
65 |
1.6 |
法蘭 |
|
LWQ-300 |
300（12"） |
200-4000 |
85 |
1.6 |
法蘭 |
4．6 精度等級：1.0級、1.5級
4．7 使用條件：
◆ 環境溫度：-30℃～+60℃； ◆ 大氣壓力：86KPa～106KPa；
◆ 介質溫度：-30℃～+80℃； ◆ 相對濕度：5%～95%
4．8 電氣性能指標：
表2
|
型號規格 |
顯示、輸出方式 |
供電電源 |
|
LWQ |
電壓脈沖低電平≤1V，高電平≥8V，三線制 |
外電源DC12V-24V |
|
LWQ－A |
(4～20)mA標準模擬信號線性對應于(0～Qmax)m3/h標準體積流量, 兩線制 |
外電源DC24V |
|
LWQ－B |
具有多點精度修正，同時顯示瞬時流量和累計流量雙排液晶顯示，方法如下： Q XXXX 四位瞬時流量（m3/h） XXXXXXXX 八位累計流量（m3） 注：累計流量自00.000000開始計數，自動擴大顯示精度，***大記至999999.99。累計流量值可清零，儀表系數、累計流量值掉電十年不丟。 |
3.2V10AH鋰電池供電 |
|
LWQ－C |
在LWQ-B（現場顯示型）基礎上加裝4－20mADC電流輸出 |
外電源DC24V |
|
LWQ－D |
在LWQ-B（現場顯示型）加裝溫度、壓力傳感器，對不同狀況流量進行自動補償修正運算。可同時查詢溫度、壓力、電池電量等數值。可輸出高頻、低頻電壓脈沖信號以及4-20mADC兩線制電流信號。 |
3.2V10AH鋰電池或外電源DC24V |
5、結束語:
渦輪流量計在體積流量測量方面有諸多優點，為保證其測量精度，需要注意以下事項：安裝時為盡可能避免外部來流的影響， 需按工藝要求保證足夠長的上下游直管段；對影響渦流流量計特性的漩渦流動、脈動流、黏度等因素，需要進行必要的補償。
