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涡轮流量计

 
第一节  概 论

涡轮流量计(以下简称TUF)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。
   在各种流量计中TUF、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品,而TUF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(同样口径可通过的流量大)和可适应高参数(高温、高压和低温)等。至今,这类流量计产品可达技术参数:口径4-750mm,压力达250MPa,温度为-240-700℃,像这样的技术参数其他两类流量计则是难以达到的。
   TUF广泛应用于以下一些测量对象:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站,大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。在欧洲和美国TUF是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸,压力从0.8MPa到6.5MPa的气体TUF,他们已成为优良的天然气流量计。
   尽管TUF的优良计量特性受到人们的青睐,可是给人的印象是由活动部件,使用期短,在选用时不免踌躇,经过人们的不懈努力,应该说情况大有改观。
   TUF作为最通用的流量计,其产品已发展为多品种、全系列、多规格批量生产的规模。应该指出,TUF除前述工业部门大量应用外,在一些特殊部门亦得到广泛应用,如科研实验、国防科技、计量部门,这些领域的使用恰好避开了其弱点(不适于长期连续使用),充分发挥其特点(高精度,重复性好,可用于高压、高温、低温及微流量等条件)。在这些领域,大多是根据被测对象的特殊要求进行专门的结构设计,它们是专用仪表不进行批量生产。

第二节 工作原理


图1所示为TUF传感器结构图,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。
TUF的实用流量方程为
  qv=f/K (7.1)
  qm=qvρ (7.2)
式中 qv,qm-分别为体积流量,m3/s,
质量流量,kg/s;
f-流量计输出信号的频率,Hz;
K-流量计的仪表系数,P/m3
流量计的仪表系数与流量(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限时,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。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。结构相似的TUF特性曲线的形状是相似的,他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,它完全不问传感器内部流体的流动机理,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。



第三节 主要特点

1) 高精确度,对于液体一般为±0.25%R-±0.5%R,高精度型可达±0.15%R;而介质为气体,一般为±1%R-±1.5%R,特殊专用型为±0.5%R-±1%R。在所有流量计中,它属于最精确的。
2) 重复性好,短期重复性可达0.05%-0.2%,正是由于具有良好的重复性,如经常校准或在线校准可得极高的精确度,在贸易结算中是优先选用的流量计。
3) 输出脉冲频率信号,适于总量计量及与计算机连接,无零点漂移,抗干扰能力强。
4) 可获得很高的频率信号(3-4kHz),信号分辨力强。
5) 范围度宽,中大口径可达40:1-10:1,小口径为6:1或5:1。
6) 结构紧凑轻巧,安装维护方便,流通能力大。
7) 适用高压测量,仪表表体上不必开孔,易制成高压型仪表。
8) 专用型传感器类型多,可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器,例如低温型、双向型、井下型、混砂专用型等。
9) 可制成插入型,适用于大口径测量,压力损失小,价格低,可不断流取出,安装维护方便。
10) 难以长期保持校准特性,需要定期校验。对于无润滑性的液体,液体中含有悬浮物或磨蚀性,造成轴承磨损及卡住等问题,限制了其适用范围,采用耐磨硬质合金轴和轴承后情况有所改进。对于贸易储运和高精度测量要求的,最好配备现场校验设备,可定期校准以保持其特性。
11) 一般液体TUF不适用于较高粘度介质(高粘度型除外),随着粘度的增大,流量计测量下线值提高,范围度缩小,线性度变差。
12) 流体物性(密度、粘度)对仪表特性有较大影响。气体流量计易受密度影响,而液体流量计对粘度变化反应敏感。由于密度和粘度与温度、压力关系密切,在现场温度、压力波动是难免的,要根据它们对精确度影响的程度采取补偿措施,才能保持高的计量精度。
13) 流量计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大,传感器上下游侧需设置较长的直管段,如安装空间有限制,可加装流动调整器(整流器)以缩短直管段长度。
14) 不适于脉动流和混相流的测量。
15) 对被测介质的清洁度要求较高,限制了其适用领域,虽可安装过滤器以适应脏污介质,但亦带来压损增大、维护量增加等副作用。
16) 小口径(DN50以下)仪表的流量特性受物性影响严重,故小口径TUF的仪表性能难以提高。

第四节 分类与传感器结构

4.1 分类
(1)按传感器结构分类
1)轴向型(普通型)叶轮轴中心与管道轴线重合,是TUF的主导产品,有全系列产品(DN10-DN600)。
2)切向型 叶轮轴与管道轴线垂直,流体流向叶片平面的冲角约90度,适用于小口径微流量产品。
3)机械型 叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构,只是积算总量,测量精度比电信号检测的传感器稍低,其传感器与显示装置组成一体式,受到用户欢迎。
4)井下专用型 适用于石油开采井下作业及采输用,测量介质有泥浆及油气流等,传感器体积受限制,需耐高压、高温及流体冲击等。
5)自校正双涡轮型 可用于天然气等气体流量测量,传感器由主、辅双叶轮组成,可由二叶轮的转速差自动校正流量特性的变化。
6)广粘度型 在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径,增加粘度补偿翼及承压叶片等结构措施,使传感器适用于高粘度液体,如重油,粘度可达30mm2/s。

4.2 传感器结构
   TUF传感器由表体、导向体(导流器)、叶轮、轴、轴承及信号检测器组成(见图1)。
1) 表体 表体是传感器的主体部件,它起到承受被测流体的压力,固定安装检测部件,连接管道的作用。表体采用不导磁不锈钢或硬铝合金制造。对于大口径传感器已可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构,表体外壁装信号检测器。
2) 导向体 在传感器进出口装有导向体,他对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用,通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。反推式涡轮流量传感器的后导流件还要求能产生足够的反推力,其结构形式很多。前导流器有专利产品可以抗流体流动的严重干扰。
3) 涡轮 亦称叶轮,是传感器的检测元件,它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种,也可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率,叶轮由支架中轴承支撑,与表体同轴,其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响,要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计,叶轮的动平衡很重要,直接影响仪表性能和使用寿命。
4) 轴与轴承 它支撑叶轮旋转,需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。它决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的,因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。
5) 信号检测器 国内常用变磁阻式,如图1上半部分所示。由永久磁钢、导磁棒(铁芯)、线圈等组成。永久磁钢对叶片有吸引力,产生磁阻力矩,小口径传感器在小流量时,磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项,为此将永久磁钢分为大小两种规格,小口径配小规格以降低磁阻力矩。输出信号有效值在10mV以上的可直接配用流量计算机,配上放大器则输出伏级频率信号。

   传感器结构类型很多,这里介绍几种广泛应用的产品。
1) 止推式涡轮流量传感器 这类产品的结构简图于图3。其中图(a)与图(b)为轴尖止推类,采用平面或球面点接触,接触点与传感器轴线重合,点接触的优点是摩擦力矩很小,可用于较低的下限流量,但是大流量时磨损严重。图(c)为端面面接触止推型,端头呈球形,轴承为平面型。此类结构仅用于小口径(DN≤15mm)传感器,发挥其灵敏度高的特点。


2) 反推式涡轮流量传感器这类产品的结构简图如图4所示。图4(a)中在输入端面处的压力pH降低,产生反推力;图4(b)是流体经前面孔引入产生反推力;图4(c)表示流体由后反向推。反推式结构在一定流量范围内可使叶轮处于浮游状态,轴向不存在接触点,无端面摩擦和磨损,可延长使用期限。







3) 切向式涡轮流量传感器 图5所示为用于微流量测量的涡轮流量传感器。流体由叶轮的切向流过,冲击其叶片旋转。由于被测流量小,为加大流体对叶轮的冲力,入口处装有喷嘴,可以更换喷嘴孔径以调节流量范围。叶轮的转速采用光电法检测,以避免如磁阻法产生磁阻力矩。
4) 气体TUF 气体的密度远小于液体密度,流体推动力矩小,气体流量传感器与液体流量传感器在结构参数上有显著差别。要加大轮毂半径,缩小流道截面积,使气流流速加大且集中经过叶片边缘。因气流流速很高,要用较小冲角的叶片。一般为降低摩擦阻力矩,采用滚动轴承,并对轴承系统注入润滑剂。它能冲洗掉轴承表面的微粒,延长轴承寿命。多孔状的储油室能在换加润滑剂期间向轴承持续供油。典型的燃气TUF如图6所示。图6(a)所示为气体TUF的剖面图。图6(b)所示为传感器显示装置上附加气体体积补偿器,补偿器把传感器测量的实际体积流量经压力、温度换算为标准状态下的体积流量。另外还有报警、自诊断、远传信号等多种功能,他是一台功能齐全的流量计算机。

 

 

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