渦輪流量計——江蘇奧科儀表有限公司

一、概述

渦輪流量計（以下簡稱LWGY）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。LWGY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(jī)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LWGY，1914年的認(rèn)為LWGY的流量與頻率有關(guān)。美國的*臺LWGY是在1938年開發(fā)的，它用于飛機(jī)上燃油的流量測量，只是直至二戰(zhàn)后因噴氣發(fā)動機(jī)和液體噴氣燃料急需一種、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LWGY、容積式流量計和科氏質(zhì)量流量計是三類重復(fù)性、精確度佳的產(chǎn)品，而LWGY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。

LWGY系列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Al2O3、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。

圖1

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。

（1） 實用流量方程

qv=f/K 公式1

qm=qvρ 公式2

式中 qv, qm ……分別為體積流量，m3/s，質(zhì)量流量，kg/s;

f ……流量計輸出信號的頻率，Hz;

K ……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LWGY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。

圖2 渦輪流量計特性曲線

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(jī)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。

（2） 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

公式3

式中 J： 葉輪的慣性矩；

dw/dt： 葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度；

M1： 流體的驅(qū)動力拒；

M2： 粘性阻力矩；

M3： 軸承摩擦阻力矩；

M4： 磁阻力矩。

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

公式4

式中 n： 葉輪轉(zhuǎn)速；

qv： 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)；

B： 與葉片頂隙，流體流速分布有關(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、產(chǎn)品特點

1. 精確度，一般可達(dá)±0.5%R，型可達(dá)±0.2%R；

2. 重復(fù)性好，短期重復(fù)性可達(dá)0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重復(fù)性，如經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)可得到好的精確度，在貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計；

3. 輸出脈沖頻率信號，適于總量計量及與計算機(jī)連接，無零點漂移，抗*力強(qiáng)；

4. 可獲得很高的頻率信號（3~4kHz），信號分辨力強(qiáng)；

5. 范圍度寬，中大口徑可達(dá)1:20，小口徑為1:10；

6. 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大；

7. 適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表；

8. 型傳感器類型多，可根據(jù)用戶特殊需要設(shè)計為各類型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型、混砂型等；

9. 可制成插入型，適用于大口徑測量，壓力損失小，價格低，可不斷流取出，安裝維護(hù)方便。

四、基本參數(shù)與技術(shù)性能

1.技術(shù)性能

表1

2.測量范圍及工作壓力

表2

五、儀表分類

1．按儀表功能分類，LWGY系列渦輪流量計可分為2大類，即：

l 渦輪流量傳感器/變送器

l 智能一體化渦輪流量計

2．功能說明

l 渦輪流量傳感器/變送器

該類渦輪流量產(chǎn)品本身不具備現(xiàn)場顯示功能，僅將流量信號遠(yuǎn)傳輸出。流量信號可分為脈沖信號或電流信號（4-20mA）；儀表價格低廉，集成度高，體積小巧，特別適用于與二次顯示儀、PLC、DCS等計算機(jī)控制系統(tǒng)配合使用。

按照不同的輸出信號，該類產(chǎn)品可分為LWGY-□N型和LWGY-□A型

LWGY-□N型傳感器：12～24VDC供電，三線制脈沖輸出，高電平≥8V，低電平≤0.8V；信號傳輸距離≤1000米；

LWGY-□A型變送器：24VDC供電，二線制4-20mA 輸出，信號傳輸距離≤1000。

該類渦輪流量產(chǎn)品均分為基本型和防爆型（ExdIIBT6）兩種，外形如圖

圖3 圖4

基本型傳感器/變送器 防爆型傳感器/變送器

l 智能一體化渦輪流量計

采用低功耗單片微機(jī)技術(shù)研制的渦輪流量傳感器與顯示積算一體化的新型智能儀表，采用雙排液晶現(xiàn)場顯示，具有機(jī)構(gòu)緊湊、讀數(shù)直觀清晰、可靠性高、不受外界電源干擾、抗雷擊、成本低等明顯優(yōu)點。儀表具備儀表系數(shù)三點修正，智能補(bǔ)償儀表系數(shù)非線性，并可進(jìn)行現(xiàn)場修正。高清晰液晶顯示器同時顯示瞬時流量（4位有效數(shù)字）及累積流量（8位有效數(shù)字，帶清零功能）。所有有效數(shù)據(jù)掉電后保持10年不丟。該類渦輪流量計均為防爆產(chǎn)品，防爆等級為：ExdIIBT6。

該類渦輪流量計按照供電方式、是否具備遠(yuǎn)傳信號輸出可分為LWGY-□B型和LWGY-□C型。

LWGY-□B型：供電電源采用3.2V10AH鋰電池（可連續(xù)運行4年以上）； 無信號輸出功能。

LWGY-□C型：供電電源采用24VDC外供電，輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)兩線制電流信號，并可根據(jù)不同的現(xiàn)場需要，可增加RS485或HART通訊。

圖5

智能一體化渦輪流量計

六、儀表選型

表3

注：DN15～DN40常規(guī)為螺紋連接，如希望采用法蘭連接，請在“公稱通徑”后加“（FL）”

例如，選用一臺法蘭連接式防爆型渦輪流量計測量柴油，管道為DN40、現(xiàn)場需要顯示并遠(yuǎn)傳電流信號，要求精度0.5級，304不銹鋼材質(zhì)，儀表耐壓16MPa測量范圍為標(biāo)準(zhǔn)量程，其產(chǎn)品型號應(yīng)為：LWGY-40(FL)/C/05/S/S/E/H16

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。

整表結(jié)構(gòu)圖 過濾器結(jié)構(gòu)圖

1.過濾器 2.前直管段 3.葉輪 4.前置放大器 5.殼體 6.后直管段 1.壓緊圈 2.螺栓4×14 3.墊圈 4.密封墊圈

5.鋼絲1Cr18Ni9Ti-0.8×2.5 6.過濾網(wǎng) 7.座

圖6 LWGY-4～10傳感器結(jié)構(gòu)及安裝尺寸示意圖

1. 殼體 2．前導(dǎo)向件 3．葉輪 4．后導(dǎo)向件 5．前置放大器

圖7 LWGY-15～40傳感器結(jié)構(gòu)及安裝尺寸示意圖

1. 球軸承 2．前導(dǎo)向件 3．漲圈 4．殼體

5．前置放大器 6．葉輪 7．軸承 8．軸

圖8 LWGY-50～200傳感器結(jié)構(gòu)及安裝尺寸示意圖

表4

八、流量計安裝注意事項

（1）安裝場所

傳感器應(yīng)安裝在便于維修，管道無振動、無強(qiáng)電磁干擾與熱輻射影響的場所。渦輪流量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。 圖9

表5

（2）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?，待?ldquo;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計算的低壓力pmin

pmin=2△p+1.25pv Pa公式5

式中 pmin——低壓力，Pa；

△p——傳感器大流量時壓力損失，Pa；

pv——被測液體高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)裝在水平管線的高點，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。