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液体涡轮流量计原理介绍

 液体涡轮流量计是以流体动量矩原理为基础的流量计量仪表。有些科技文献又将其划分为速度式仪表,因为在一定的流量范围内,流量计的转动速度与流体的流速成比例关系。
涡轮流量计使用中的主要特点:体积小;重量轻;准确度高(有的流量计可以当作计量标准仪表);反应时间快(有些可达到毫秒级);量程比宽(一般为10∶1);压力损失小;适用工作流体温度高;输出为脉冲信号,故不易受到干扰;可以长距离传输,便于各种参数处理。当它与多功能、多参数的显示仪表(以下简称仪表)组合使用时,可以同时对累积流量、瞬时流量或流体温度、内部压力等参数进行测量及分析、调节。
1 液体涡轮流量计的工作过程
涡轮流量计通常由涡轮(机械部分)、磁电转换器、放大机构(电子部分)等组成。
涡轮流量计构成图
当流体流经安装在管道里的涡轮,即流经涡轮叶片与管道之间的间隙时,由于流体的冲击作用,使得涡轮围绕轴心发生旋转。同时实验表明,涡轮旋转的转数与介质流体的体积流量呈现近似的线性关系。再将涡轮的旋转通过磁电转换器变换成相对应的电脉冲信号,以此脉冲信号经电子放大机构放大后,即可输送显示仪表进行多参数物理量的指示。
由前可知,在测量范围内,涡轮的转速与流量成正比,而信号的脉冲数则与涡轮的转速成正比。所以,当我们检测出信号脉冲总数以后,除以仪表常数ξ(次/升),便可计算得到该段时间内的介质流体总量 V(升),即:
V=N/ξ(L) ???????????(1)
举一例:流量计ξ为 180 次/L,用仪器测出在10,min 内仪表计算得的脉冲数为 7,200 次,则 10,min内管道中流过流体的总量为:

V=N/ξ=7200 次/180 次/L=40L

2 涡轮旋转的基本原理
涡轮流量计主要组件包括:导流体组件、涡轮组件、壳体、磁电转换器和放大机构等。通过对流体流过管道及涡轮结构的分析,我们可以得出,当流体沿管道的轴线方向流动而冲击涡轮叶片时,便有与流量 Q、密度φ和流速 V 的乘积成比例的力作用于叶片上,推动涡轮旋转。
涡轮旋转的产生示意图
如图 2 所示,由于涡轮对流体是作相对运动,如果涡轮旋转的圆周速度 V=w·r 与轴线平行的流速与叶片的夹角为θ,流通面积为 A,则介质流速 V=Q/A,则推动涡轮旋转的力矩 M 可用下式表示:
M=K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ ???????????(2)
式中:K1——与流量计结构尺寸、流体质量、状态有关的参数;r——平均半径,常取叶片宽度 1/2 到中心的距离。
由(2)式可知,力矩 M 除与流量 Q 有关外,与流体介质密度ρ、流动状态与流向等多个因素有关。
在涡轮旋转时,除推动涡轮旋转的转动力矩 M外,还同时存在阻碍涡轮旋转的阻力矩,其中包括:介质粘度对涡轮摩擦引起的阻力矩 M1,轴承摩擦引起的阻力矩 M2,磁电转换器引起的磁电反应阻力矩M3。根据动量矩守恒原理,涡轮的运动方程式可以用以下函数关系式表示:
Jdω/dt=M-M1-M2-M3????????? (3)
式中:J——涡轮的转动惯量;dω/dt——涡轮的角加速度。
由(3)式可知,当 dω/dt 为零时,涡轮以角速度ω作匀速转动;当流量发生变化时,dω/dt≠0,涡轮将作加速旋转运动,经过一段时间后,随着流量的稳定,涡轮又会达到新的力矩平衡状态,即 dω/dt 又等于零值。就是说,涡轮将以另一新的角速度匀速旋转,以适应新的流量,并出现了新的稳定状态。
通过分析和计算可知,在 dω/dt=0 时,涡轮转动角速度ω与体积流量 Q 有如下式的近似关系:
ω=ξQ-ξa ???????????(4)
式中:a——与流量计结构参数、流体介质、流动状态有关的系数;ξ——流量计转换系数,当介质流量大于某一数值时,在一段区间内可以近似看作为一常数,有时也称为仪表常数。

仪表常数ξ是流量计重要的特性参数,由于流量计是通过磁电转换器将角速度ω 转换成相应的脉冲数,因而我们可以把ξ看成是单位体积流量 Q 通过流量计时,转换器输出的脉冲数(脉冲数/升),故也称为流量系数。流量计作为产品出厂时,生产单位则是测取测量范围内的转换系数平均值作为仪表常数,因而可以认为流体总量 V 与脉冲数 N 的关系,如(5)式所示:

V=N/ξ??????????????? ?(5)
3 磁电转换器的工作过程
磁电转换器工作时如图 3 所示。
当流体通过涡轮叶片时,涡轮 5 将发生旋转运动,叶轮片 4 将周期性切割磁钢 1 而产生磁力线 3,从而改变通过线圈 2 的磁通量,根据电磁感应原理,在线圈内将感应出脉动的电势信号。不难理解,脉动电势信号的频率与涡轮旋转的角速度ω成正比,即与被测介质的流量 Q 成正比。通过放大机构(电子部分)将上述脉冲信号放大到 1V 左右脉冲电压,传送给显示仪表,即可显示出被测介质的流量数据。

涡轮流量计磁电转换器工作示意图

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