液體渦輪流量計

一、液體渦輪流量計概述

   液體渦輪流量計是葉輪式流量(流速)計的主要品種，葉輪式流量計還有風(fēng)速計、水表等。液體渦輪流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換顯示儀組成,傳感器采用多葉片的轉(zhuǎn)子感受流體的平均流速從而推導(dǎo)出流量或總量。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)數(shù))可用機械、磁感應(yīng)、光電方式檢出并由讀出裝置進(jìn)行顯示和傳送記錄。據(jù)稱美國早在1886年即發(fā)布過個液體渦輪流量計，1914年的認(rèn)為液體渦輪流量計的流量與頻率有關(guān)。美國的臺下液體渦輪流量計是在1938年開發(fā)的，它用于飛機上燃油的流量測量.只是直至二戰(zhàn)后因噴氣發(fā)動機和液體噴氣燃料急需一種高精度、快速響應(yīng)的流量計才使它獲得真正的工業(yè)應(yīng)用。如今它已在石油、化工、科研、國防、計量各部門中獲得廣泛應(yīng)用。

    流量計中下液體渦輪流量計、容積式流量計和科氏質(zhì)量流量計是三類重復(fù)性、精確度的產(chǎn)品，而液體渦輪流量計又具有自己的特點.如結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大和可適應(yīng)高參數(shù)等.是其他兩類流量計是難以達(dá)到的。

液體渦輪流量計是吸取了國內(nèi)外流量儀表*技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、精度高、復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏安裝維護(hù)使用方便等特點的新一代渦輪流量計，廣泛用于測量封閉管道中與不銹鋼1Cr18Ni9Ti、2Cr13及剛玉A12O3、硬質(zhì)合金不起腐蝕作用且無纖維、顆粒等雜質(zhì)，工作溫度下運動粘度小于5×10-6m2/s的液體，對于運動粘度大于5×10-6m2/s的液體.可對流量計進(jìn)行實液標(biāo)定后使用。若與具有特殊功能的顯示儀表配套，還可以進(jìn)行定量控制、超量報警等，是流量計量和節(jié)能的理想儀表。

二、工作原理

     圖1所示為渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡圖，由圖可見，當(dāng)被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化。產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢，即電脈沖信號.經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。

渦輪流量計的流量方程可分為兩種:實用流量方程和理論流量方程。

實用流量方程

qv=f/k——公式1

qm=qvp——公式2

式中：qv—為體積流量，m3/s;          qm—為質(zhì)量流量，kg/s;

      f—為流量計輸出信號的頻率，Hz；K—為流量計的儀表系數(shù)，P/m3

    流量計的系數(shù)與流量(或管道雷諾數(shù))的關(guān)系曲線如圖2所示.由圖可見，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段.特性受軸承摩擦力,流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過流量上要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的下液體渦輪流量計特性曲線的形狀是相似的它僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。

    傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗裝置校驗得出.它*不問傳感器內(nèi)部流體機理把傳感器作為一個黑匣子，根據(jù)輸入(流量)和輸出(頻率脈沖信號)確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)它便于實際應(yīng)用。但要注意此轉(zhuǎn)換系數(shù)(儀表系數(shù))是有條件的，其校驗條件是參考條件。如果使用時偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類型管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。

理論流量方程

  根據(jù)動量矩定理可以列出葉輪的運動方程

J(dw/dt)=M1-M2-M3-M4  公式3

式中：J—為葉輪的慣性矩；dw/dt—為葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度；M1—為流體的驅(qū)動力拒；M2—為粘性阻力矩；M3—為軸承摩擦阻力矩；M4—為磁阻力矩。

當(dāng)葉輪以恒速旋轉(zhuǎn)時，J(dw/dt)=0，則M1=M2+M3+M4。經(jīng)理論分析與實驗驗證可得：

n=Aqv+B-C/qv  公式4

式中：n—為葉輪轉(zhuǎn)速；qv—為體積流量；A—與流體物性(密度、粘度等)，葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉片傾角、葉輪直徑、流道截面積等)有關(guān)的系數(shù)；C—與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結(jié)構(gòu)及流體工作條件。至今渦輪儀表特性的水動力學(xué)特性仍舊不很清楚.它與流體物性及流動特性有復(fù)雜的關(guān)系。比如當(dāng)流場有旋渦和非對稱速度分布時水動力學(xué)特性就非常復(fù)雜。不能用理論式推導(dǎo)儀表系數(shù)，儀表系數(shù)仍需由實流校驗確定。但是理論流量方程有巨大的實用意義，它可用于指導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及現(xiàn)場使用條件變化時儀表系數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測和估算。

三、液體渦輪流量計參數(shù)以及優(yōu)缺點分析

液體渦輪流量計主要參數(shù)

a.儀表系數(shù)K:它表示單位體積流量通過渦輪流量傳感器時傳感器輸出的信號脈沖頻率。因此，根據(jù)脈沖頻率數(shù)，除以儀表系數(shù)就得到流體的體積流量。一段時間內(nèi)的脈沖總數(shù)除以儀表系數(shù)就得到流體在該時間段的累積流量。

b.公稱通徑DN和公稱壓力尸N.它們是渦輪流量計的系列數(shù)值。通常，公稱通徑有DN6-DN76O，公稱壓力PN范圍從真空到414MPa。

c.測量范圍。液體為0.036-130000/h;

d.壓損。在流量時流量計的壓損.氣體壓損0. 3kPa;液體壓損7OkPa。

e.溫度范圍。工況允許的溫度范圍一般可在-270^-+650℃

f.線性度。與儀表系數(shù)有關(guān)，通常，液體可達(dá)0.25級(高精度可達(dá)0.15級)，氣體達(dá)0.5級(高精度可達(dá)0.25級)。

g.重復(fù)性。液體±0.1%讀數(shù);氣體±0.25%讀數(shù)。

優(yōu)點
1.測量精度高，復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定可靠
2.范圍度寬，一般6：1，可達(dá)40:1
3.線性度好
4.壓損小(0.01~0.1MPa)，氣體更低，外形無需開孔，可耐高壓
5.系統(tǒng)響應(yīng)快
6.抗擾性強，可遠(yuǎn)傳
7.安裝維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)簡單
8.耐腐蝕性好，傳感器可用耐腐材料
缺點
1.制造困難
2.因軸承磨損，需定時校準(zhǔn)特性
3.對高黏度流體，其線性變差
4.受流體特性(密度、黏度)影響大
5.上、下游直管段長度要求高
6.對流體清潔度要求高
7.成本高
8.小口徑儀表的精度下降

四、基本參數(shù)不與技術(shù)性能

1、技術(shù)性能

儀表口徑及連接方式：4、6、10、15、20、25、32、40采用螺紋連接(15、20、25、32、40)50、65、80、100、125、150、200采用法蘭連接

準(zhǔn)確度等級：1、0.5

范圍度： 1:10；1:15；1:10

儀表材質(zhì)：304不銹鋼、316(L)不銹鋼等

被測介質(zhì)溫度(℃)：-20~+120℃

環(huán)境條件：溫度-10~+55℃，相對濕度5%~90%，大氣壓力86~106KPa

輸出信號：傳感器：脈沖頻率信號，低電平≤0.8V 高電平≥8V

          變送器：兩線制4~20mADC電流信號

供電電源：傳感器：+12VD、+24VDC(可選)

          變送器：+24VDC

          現(xiàn)場顯示型：儀表自帶3.2V鋰電池

信號傳輸線：STVPV3×0.3(三線制)，2×0.3(二線制)

傳輸距離：≤1000m

信號線接口：基本型：豪斯曼接頭，防爆型：內(nèi)螺紋M20×1.5

防爆等級：基本型：非防爆產(chǎn)品，防爆型：ExdllBT6

防護(hù)等級：IP65

1. 測量范圍及工作壓力

表2 測量范圍及工作壓力

七、安裝尺寸

  傳感器的安裝方式根據(jù)規(guī)格不同。采用螺紋或法蘭連接，安裝方式見圖6、圖7、圖8，安裝尺寸見表4。

八、流量計安裝注意事項

點、安裝場所

    傳感器應(yīng)安裝在便于維修管道無振動、無強電磁干擾與熱輻射影響的場所。渦輪流最計的典型安裝管路系統(tǒng)如圖9所示。圖中各部分的配置可視被測對象情況而定并不一定全部都需要。渦輪流量計對管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流是敏感的進(jìn)入傳感器應(yīng)為充分發(fā)展管流，因此要根據(jù)傳感器上游側(cè)阻流件類型配備必要的直管段或流動調(diào)整器，如表5所示。若上游側(cè)阻流件情況不明確一般推薦上游直管段長度不小于20D，下游直管段長度不小于5D。如安裝空間不能滿足上述要求可在阻流件與傳感器之間安裝流動調(diào)整器。傳感器安裝在室外時.應(yīng)有避直射陽光和防雨淋的措施。

第二點、連接管道的安裝要求

    水平安裝的傳感器要求管道不應(yīng)有目測可覺察的傾斜(一般在5°以內(nèi))，垂直安裝的傳感器管道垂直度偏差亦應(yīng)小于5°。

    需連續(xù)運行不能停流的場所，應(yīng)裝旁通管和可靠的截止閥(見圖9)，測量時要確保旁通管無泄漏。

    在新鋪設(shè)管道裝傳感器的位置先介入一段短管代替?zhèn)鞲衅?，?“掃線”工作完畢確認(rèn)管道內(nèi)清掃干凈后再正式接入傳感器。由于忽視此項工作，掃線損壞傳感器屢見不鮮。

    若流體含雜質(zhì)，則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝過濾器對于不能停流的.應(yīng)并聯(lián)安裝兩套過濾器輪流清除雜質(zhì)。

或選用自動清洗型過濾器。若被測液體含有氣體.則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝消氣器。過濾器和消氣器的排污口和消氣口要通向安全的場所。

    若傳感器安裝位置處于管線的低點，為防止流體中雜質(zhì)沉淀滯留應(yīng)在其后的管線裝排放閥，定期排放沉淀雜質(zhì)。

    被測流體若為易氣化的液體，為防止發(fā)生氣穴影響測量精確度和使用期限傳感器的出口端壓力應(yīng)高于公式5計算的壓力Pmin

Pmin=2ΔP+1.25Pv Pa  公式5

式中：Pmin—為壓力，Pa；

Pv—被測液體使用溫度時飽和蒸汽壓，Pa。

    流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝在傳感器下游.上游側(cè)的截止閥測量時應(yīng)全開.且這些閥門都不得產(chǎn)生振動和向外泄漏。

對于可能產(chǎn)生逆向流的流程應(yīng)加止回閥以防止流體反向流動。

    傳感器應(yīng)與管道同心，密封墊圈不得凸入管路。液體傳感器不應(yīng)裝在水平管線的點.以免管線內(nèi)聚集的氣體(如停流時混入空氣)停留在傳感器處.不易排出而影像測量。

  傳感器前后管道應(yīng)支撐牢靠。不產(chǎn)生振動。對易凝結(jié)流體要對傳感器及其前后管道采取保溫措施。