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涡轮流量计工作原理

  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。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。

  流量计中涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度佳的产品,而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(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,流量计产品可达技术参数:口径 4 一 750 mm ,压力达 250MPa ,温度为 -240 一 700 ℃ ,像这样的技术参数其他两类流量计是难以达到的。

  涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。具有高精度,重复性好,可用于高压、高温、低温及微流量等场合。

流量方程可分为两种:实用流量方程和理论流量方程。

( 1 )实用流量方程

qv = f / K ( 7 . 1 )

qm =qv ρ ( 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 。

  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。

  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的流动机理,把传感器作为一个黑匣子,根据输人(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。

( 2 )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 dω/dt=M1-M2-M3-M4 ( 7 . 3 )

式中 J ― 叶轮的惯性矩; d ω /dt ― 叶轮的旋转加速度; Ml ― 流体驱动力矩; M2 ― 粘性阻力矩; M3 ― 轴承摩擦阻力矩; M4 ― 磁阻力矩。当叶轮以恒速旋转时, Jd ω /d = 0 ,则 M1=M2+M3+M4 。经理论分析与实验验证可得

n=Aqv+B-C/qv( 7 . 4 )

式中 n ― 叶轮转速; qv ― 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; B ― 与叶片顶隙,流体流速分布有关的系数; C ― 与摩擦力矩有关的系数。

  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 .

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