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1、气体涡轮流量计气体涡轮流量计 气体涡轮流量计是一种速度式流量计，它具有压力气体涡轮流量计是一种速度式流量计，它具有压力损失小、精度高、始动流量低，量程比大、抗振与抗脉损失小、精度高、始动流量低，量程比大、抗振与抗脉动流性能好等特点。该类型产品广泛使用于石油、化工、动流性能好等特点。该类型产品广泛使用于石油、化工、电力、工业锅炉、燃气调压站、输配气管网天然气、城电力、工业锅炉、燃气调压站、输配气管网天然气、城市天然气等领域，并已被广泛使用于贸易计量。在欧洲市天然气等领域，并已被广泛使用于贸易计量。在欧洲和美国气体涡轮流量计是仅次于孔板流量计的天然气计和美国气体涡轮流量计是仅次于孔板流量计的天然气
2、计量仪表。量仪表。气体涡轮流量计作为最通用的流量计之一，其产品已开气体涡轮流量计作为最通用的流量计之一，其产品已开展为多品种、全系列、多规格批量生产的规模。展为多品种、全系列、多规格批量生产的规模。气体涡轮流量计的分类气体涡轮流量计的分类 气体涡轮流量变送器：由涡轮流量传感器、放大电路或变送装置气体涡轮流量变送器：由涡轮流量传感器、放大电路或变送装置组成，将流体流量转换成电脉冲信号或电流信号输出，自身不带组成，将流体流量转换成电脉冲信号或电流信号输出，自身不带显示机构。显示机构。 普通型气体涡轮流量计：分机械式和电子式两种。前者由气体涡轮普通型气体涡轮流量计：分机械式和电子式两种。前者由气体涡
3、轮流量传感器和机械计数器组成。后者由气体涡轮流量传感器和流流量传感器和机械计数器组成。后者由气体涡轮流量传感器和流量积算仪两局部组成，但两者均不带压力温度补偿功能，只计量量积算仪两局部组成，但两者均不带压力温度补偿功能，只计量气体的工况体积流量。气体的工况体积流量。机械计数器式机械计数器式电子式电子式 温压补偿型气体涡轮流量计：由涡轮流量传感器、压力传感器、温度温压补偿型气体涡轮流量计：由涡轮流量传感器、压力传感器、温度传感器和温度压力补偿仪四局部组成，它将工况体积流量换算为标准体传感器和温度压力补偿仪四局部组成，它将工况体积流量换算为标准体积流量，直接测量标准体积流量和总量。它有两种结构形式
4、：积流量，直接测量标准体积流量和总量。它有两种结构形式： a. a.一体化温压补偿型气体涡轮流量计一体化温压补偿型气体涡轮流量计: :不带机械计数器，由气体涡轮不带机械计数器，由气体涡轮流量传感器和压力传感器、温度传感器和温度压力补偿仪合为一体；流量传感器和压力传感器、温度传感器和温度压力补偿仪合为一体； b. b.由普通性气体涡轮流量计机械式和体积修正仪组合。由普通性气体涡轮流量计机械式和体积修正仪组合。补偿型电子式补偿型电子式补偿型双显示式补偿型双显示式气体涡轮流量传感器的结构气体涡轮流量传感器的结构 涡轮流量传感器一般结构主要由壳体、前导流体整流涡轮流量传感器一般结构主要由壳体、前导流体
5、整流器、导流圈、涡轮叶轮、防尘迷宫件、轴承、主轴、器、导流圈、涡轮叶轮、防尘迷宫件、轴承、主轴、内藏式储油管、后导流体、加油系统、讯号发生盘、信号传内藏式储油管、后导流体、加油系统、讯号发生盘、信号传感器、压力传感器、温度传感器等组成。带机械计数器的还感器、压力传感器、温度传感器等组成。带机械计数器的还增加蜗杆、连杆、磁耦合、齿轮组、机械计数器等。增加蜗杆、连杆、磁耦合、齿轮组、机械计数器等。电子式电子式机械式机械式防尘迷宫件：防止灰尘进入机芯起保护轴承作用，该件设计的优劣直接影响防尘迷宫件：防止灰尘进入机芯起保护轴承作用，该件设计的优劣直接影响涡轮流量计寿命，实际使用证明静密封比动密封防尘效
6、果好，最好与涡轮一涡轮流量计寿命，实际使用证明静密封比动密封防尘效果好，最好与涡轮一起设计形成径向迷宫。起设计形成径向迷宫。导流体：对被测流体起压缩、整流、导向作用和支撑叶轮的作用假设采用导流体：对被测流体起压缩、整流、导向作用和支撑叶轮的作用假设采用导流圈时还起到固定导流圈的作用，材料可选用塑料、锌合金、铝合金、导流圈时还起到固定导流圈的作用，材料可选用塑料、锌合金、铝合金、不导磁不锈钢。不导磁不锈钢。导流圈：导流圈：对被测流体进行导向、节流、调整流量，对仪表流量范围分段有重对被测流体进行导向、节流、调整流量，对仪表流量范围分段有重要作用，材料为铝合金。要作用，材料为铝合金。涡轮涡轮(叶轮叶
7、轮)：是传感器的检测元件，接受流体动量，克服阻力矩是传感器的检测元件，接受流体动量，克服阻力矩,是齿轮传动是齿轮传动机构的动力源。不同厂家根据需要采用不同的材料制造，它可由高导磁性材机构的动力源。不同厂家根据需要采用不同的材料制造，它可由高导磁性材料制成，其高频信号可以由叶轮切割电感传感器产生。也可选用塑料或铝合料制成，其高频信号可以由叶轮切割电感传感器产生。也可选用塑料或铝合金材料制造，并在其上镶嵌导磁体或磁体，或在后面通过增加发信盘以产生金材料制造，并在其上镶嵌导磁体或磁体，或在后面通过增加发信盘以产生高频信号。高频信号。 后后导导流流体体：支支承承轴轴承承、机机芯芯、加加油油连连接接件件
8、，防防止止灰灰尘尘进进入入机机芯芯，材材料料为为铝铝合合金金或或锌锌合合金金。反反推推式式涡涡轮轮流流量量传传感感器器的的后后导导流流件件还还要要求求能能产产生生足足够够的反推力，其结构形式很多。的反推力，其结构形式很多。轴承：轴承：支撑主轴和叶轮旋转，减小转动轴摩擦力矩，需选用高精度、低支撑主轴和叶轮旋转，减小转动轴摩擦力矩，需选用高精度、低噪音、有足够的刚度、强度和硬度及耐磨性、耐腐蚀性好的不锈钢轴承，噪音、有足够的刚度、强度和硬度及耐磨性、耐腐蚀性好的不锈钢轴承，它和主轴一起直接决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常它和主轴一起直接决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是
9、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。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。 主轴：主轴：起传动、支承作用，它与轴承的装配结构、装配精度以及主轴起传动、支承作用，它与轴承的装配结构、装配精度以及主轴本身同轴度，直接影响流量计精度及使用寿命。材料也要选用耐磨性本身同轴度，直接影响流量计精度及使用寿命。材料也要选用耐磨性好、高硬度的不锈钢。好、高硬度的不锈钢。内内藏藏式式储储油油管管：对对于于采采用用加加油油系系统统的的涡涡轮轮流流量量传传感感器器，一一般般有有采采用用该该结结构构件件，它它是是加加油油系系统统的的缓缓冲冲装装置置，可可有有效效防防
10、止止因因一一次次加加油油过过量量影影响响仪仪表表精精度度及及污污染染机机芯芯，也也可可有有效效防防止止使使用用过过程程中中因因失失油油造造成成轴轴承承损损伤伤。对对于于不采用加油系统的，无此机构。不采用加油系统的，无此机构。低频信号模块：低频信号模块：将机械计数器的读数按一定的脉冲当量转换成电脉冲信将机械计数器的读数按一定的脉冲当量转换成电脉冲信号传输，为体积修正仪输出低频脉冲信号。号传输，为体积修正仪输出低频脉冲信号。加油系统：加油系统：由由油杯组件、止回阀、油管、接头、密封圈等组成。不采用油杯组件、止回阀、油管、接头、密封圈等组成。不采用加油系统的无此机构。加油系统的无此机构。机械计数器：
11、显示累积流量。讯号发生盘高频信号：由不锈铁加工机械计数器：显示累积流量。讯号发生盘高频信号：由不锈铁加工而成，它与涡轮同步转动，由接近开关传感器检测出涡轮旋转频率。也而成，它与涡轮同步转动，由接近开关传感器检测出涡轮旋转频率。也有采用其它形式的信号检测方式，如光电、电磁感应、磁阻等方式。有采用其它形式的信号检测方式，如光电、电磁感应、磁阻等方式。传动机构：传动机构：由涡杆、连杆、磁耦合和齿轮组等组成，将涡轮的转动按由涡杆、连杆、磁耦合和齿轮组等组成，将涡轮的转动按一定的数比传动给机械计数器。一定的数比传动给机械计数器。 工作原理 当气流进入流量计时，首先经过机芯的前导流体并加速，在流体的作用下
12、，由于涡轮叶片与流体流向成一定角度，此时涡轮产生转动力矩，在涡轮克服阻力矩和磨擦力矩后开始转动。当诸力矩到达平衡时，转速稳定，涡轮转动角速度与流量成线性关系，对于机械计数器式的涡轮流量计，通过传动机构带动计数器旋转计数。对采用电子式流量积算仪的流量计，通过旋转的发讯盘或信号传感器以及放大电路输出代表涡轮旋转速度的脉冲信号，该脉冲信号的频率与流体体积流量成正比。即 f=KQ 式中：K是涡轮流量计的仪表系数，其含义为单位体积流体通过流量计时输出的脉冲数1/L或1/m3，在流量计的使用范围内，它应该是个常数。 涡轮流量计理论模型 要使涡轮流量计在一定的流量范围正常工作，其仪表要使涡轮流量计在一定的流
13、量范围正常工作，其仪表系数系数K K应是常数。但实际上涡轮流量计的仪表系数应是常数。但实际上涡轮流量计的仪表系数K K和体积和体积流量流量Q Q成一定的函数关系，即成一定的函数关系，即K=f/QK=f/Q。这一函数关系称为涡。这一函数关系称为涡轮流量计的数学模型。下面对其进行简单和详细的分析。轮流量计的数学模型。下面对其进行简单和详细的分析。 理想状态的数学模型理想状态的数学模型 所谓涡轮的理想状态，就是当忽略涡轮轴与轴承的磨所谓涡轮的理想状态，就是当忽略涡轮轴与轴承的磨檫阻力矩、流体通过涡轮时对涡轮产生的流动阻力矩和其檫阻力矩、流体通过涡轮时对涡轮产生的流动阻力矩和其它阻力矩，且假定涡轮处于
14、匀速运动的平衡状态，此时可它阻力矩，且假定涡轮处于匀速运动的平衡状态，此时可简单推导如下：简单推导如下： 涡轮叶片按中线展开与轴线夹角涡轮叶片按中线展开与轴线夹角示意图示意图 如以以下图所示涡轮叶片与轴线夹角如以以下图所示涡轮叶片与轴线夹角并设涡轮平均半径为并设涡轮平均半径为r r，涡轮的流通截，涡轮的流通截面积为面积为A A，涡轮转速成为，涡轮转速成为n n，那么平均半径处的流体切向速度：，那么平均半径处的流体切向速度： v=2rn v=2rn 被测流体流过叶片时的轴向平均流速被测流体流过叶片时的轴向平均流速u u为：为： u=Q/A u=Q/A 由于由于 tg=v/u=2rnA/Q tg=
15、v/u=2rnA/Q Q=2rnA/tg Q=2rnA/tg式中式中,r,r、A A、均为定值，因而通过涡轮的流量是与涡轮转速成正比。信号传均为定值，因而通过涡轮的流量是与涡轮转速成正比。信号传感器输出脉冲频率感器输出脉冲频率f f与涡轮转速与涡轮转速n n存在以下关系：存在以下关系： f=nZ f=nZ式中式中: : n n为转速，为转速，r/minr/min；Z Z是涡轮或发讯盘磁钢或导磁体数是涡轮或发讯盘磁钢或导磁体数; ; f f为脉冲频率，为脉冲频率，HzHz Q= f/K Q= f/K 涡轮流量计的实际数学模型 涡轮在旋转过程中，受以几种力矩的影响：流体的推动力矩Tr主动力矩;涡轮
16、轴与轴承的磨擦阻力矩Trm;流体通过涡轮时对涡轮产生的流动阻力矩Trf；信号传感器对涡轮产生的电磁阻力矩Tre。由涡轮所受力矩得出涡轮的运动方程为： 式中，J 是涡轮的转动动量；是涡轮的旋转角速度。 推导可得 涡轮流量计的详细数学模型。涡轮流量计的详细数学模型。式中：式中：、Q Q为流体的密度和体积流量。为流体的密度和体积流量。 气体涡轮流量计的特性分析 1理想特性曲线： 当忽略涡轮轴与轴承的磨檫阻力矩Trm、流体通过涡轮时对涡轮产生的流动阻力矩Trf时，其公式为 由上式可见，理想特性仅与涡轮结构参数有关，与流量无关，仪表系数K是常数。与上面公式一致涡轮流量计的流量特性涡轮流量计的流量特性K-
17、QK-Q曲线分析曲线分析 仪表系数可分为二段仪表系数可分为二段: :线性段和非线性段。线性段和非线性段。在线性段其特性与传感器结构尺寸有关。在线性段其特性与传感器结构尺寸有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力和流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感在非线性段，特性受轴承摩擦力和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。器流量下限时，仪表系数随着流量迅速变化。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。结构相似的涡轮流量计特性曲线的形状是相似的，它仅在系统误差水平方面结构相似的涡轮流量计特性曲线的形状是相似的，它仅在系统误差水平方面
18、有所不同。对于气体涡轮流量计，一般将计量精度分两段，即为分界流量点，有所不同。对于气体涡轮流量计，一般将计量精度分两段，即为分界流量点， 精确度高：全量程一般为精确度高：全量程一般为11 ，高精度型为，高精度型为 ；属于；属于高精确度的一种。高精确度的一种。 由于一般采用脉冲频率信号输出，适于总量计量及与计算机连接，由于一般采用脉冲频率信号输出，适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。同时假设采用高频信号输出，可获得无零点漂移，抗干扰能力强。同时假设采用高频信号输出，可获得很高的频率信号很高的频率信号3-4kHz3-4kHz，信号分辨力强。，信号分辨力强。 主要优点主要优点 结构
19、紧凑，体积轻巧，安装使用比较方便，流通能力大。结构紧凑，体积轻巧，安装使用比较方便，流通能力大。 重复性好重复性好:一般可达，由于其具有良好的重复性，通一般可达，由于其具有良好的重复性，通过经常校准或在线校准后可到达极高的精确度，因此在贸易过经常校准或在线校准后可到达极高的精确度，因此在贸易结算中是优先选用的流量计之一。结算中是优先选用的流量计之一。 范围度宽范围度宽: :中大口径一般可达中大口径一般可达2020：1 1以上，小口径为以上，小口径为1010：1 1，始动，始动流量也较低。流量也较低。 压力损失较小压力损失较小: :在常压下一般在。在常压下一般在。 可采用多种显示方式，可只带机械
20、计数器或只配普通型流量积算仪，可采用多种显示方式，可只带机械计数器或只配普通型流量积算仪，也可在机械计数器上增加温压补偿仪，或只带温压补偿仪，且可长也可在机械计数器上增加温压补偿仪，或只带温压补偿仪，且可长期采用电池供电，使用方便。期采用电池供电，使用方便。 主要缺点主要缺点 要长期保持校准特性，需要定期校验。介质中含有的悬浮物要长期保持校准特性，需要定期校验。介质中含有的悬浮物或腐蚀性成份，会造成轴承磨损及卡住等问题，会改变其精度或腐蚀性成份，会造成轴承磨损及卡住等问题，会改变其精度并限制其适用范围，虽然采用耐磨硬质合金轴和轴承后情况有并限制其适用范围，虽然采用耐磨硬质合金轴和轴承后情况有所
21、改进，但此问题还是存在。因此必须定期校准，对于贸易储所改进，但此问题还是存在。因此必须定期校准，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。运和高精度测量要求的，最好配备现场校验设备。 定期加油以保证轴承的充分润滑，以保证计量精度和延长使定期加油以保证轴承的充分润滑，以保证计量精度和延长使用寿命。用寿命。 介质的物理特性如密度、粘度等对涡轮流量计的特性有介质的物理特性如密度、粘度等对涡轮流量计的特性有较大影响。气体流量计易受密度影响，与温度、压力关系密切，较大影响。气体流量计易受密度影响，与温度、压力关系密切，因此要进行温压修正。因此要进行温压修正。 不允许使用在存在快速开关的场合。
22、不允许使用在存在快速开关的场合。主要缺点主要缺点涡轮流量计受流场分布影响较大，因此对入口无整流器的流量计应按涡轮流量计受流场分布影响较大，因此对入口无整流器的流量计应按要求对传感器的上下游侧设置直管段，对入口设计有整流器的流量计也要求对传感器的上下游侧设置直管段，对入口设计有整流器的流量计也应按使用说明的要求设置直管段长度。应按使用说明的要求设置直管段长度。 不适合于存在较强脉动流的场合使用，也不适于混相流的测量。不适合于存在较强脉动流的场合使用，也不适于混相流的测量。对被测介质的清洁度要求较高，需按要求安装过滤器，但这也带来压对被测介质的清洁度要求较高，需按要求安装过滤器，但这也带来压损的增大。损的增大。小口径的涡轮流量计的流量特性受物性影响严重，故小口径涡轮流量小口径的涡轮流量计的流量特性受物性影响严重，故小口径涡轮流量计性能难以提高。如最小口径为计性能难以提高。如最小口径为DN25DN25，但其范围度仅为，但其范围度仅为1010：1 1，精确度最，精确度最高仅达高仅达1.0%1.0%。 TBQJTBQJ型气体涡轮流量计型气体涡轮流量计TBQZTBQZ型气体涡轮流量计型气体涡轮流量计
