摘要：介紹了一種國產(chǎn)寬量程氣體智能渦輪流量計的工作原理及渦輪的設計思想，闡述了零阻力信號檢測法和儀表系數的非線(xiàn)性修正法，并給出了室內檢定和工業(yè)現場(chǎng)的試驗數據。檢定結果表明，該流量計與進(jìn)設備的計量結果基本一致。目前這種國產(chǎn)流量計已開(kāi)始投入實(shí)際應用。

一、流量計概述

近年來(lái)，隨著(zhù)各行業(yè)對成本核算、貿易往來(lái)、節約能源、自動(dòng)控制等工作的重視，用戶(hù)對流量測量的需求日益增多，同時(shí)對流量計的測量精度、量程比、適用介質(zhì)等技術(shù)指標提出了越來(lái)越高的要求。由于城市燃氣管網(wǎng)遍布于整個(gè)城市，考慮到供氣安全、管道的沿程壓力損失等問(wèn)題，管道中的介質(zhì)（液化天然氣、煤制氣）一般壓力較低、流速不高、因此其流量測量有固有的特殊性。另外，因為用氣高峰和低谷時(shí)的管道內流量差距非常大，所以需要一種量程寬、測量下限低的流量測量?jì)x表。目前，國內外寬量程氣體流量計主要有以下幾種。

（1）腰輪式（羅茨式）氣體流量計。這是一種體積式測量?jì)x表。具有測量下限低、量程寬、精度高、與介質(zhì)物性參數關(guān)系不緊密等優(yōu)點(diǎn)。但對氣體的潔凈程度要求較高，使用中需要加裝過(guò)濾裝置，并需要經(jīng)常清洗。

（2）熱式氣體質(zhì)量流量計。該流量計是利用氣體傳熱性能與其質(zhì)量流量的關(guān)系測量流量，可測量很低的流速，具有較寬的測量范圍，并具有一定的抗雜質(zhì)能力，是近年來(lái)發(fā)展很快的一種流量計。但由于其工作原理的局限性，易受氣體成分變化的影響，因此只適用于成分比較穩定的氣體流量測量。

（3）渦輪氣體流量計。該流量計是利用葉輪在氣體推動(dòng)下的轉動(dòng)來(lái)測量氣體的流量，具有一定的抗雜質(zhì)能力，并且不受氣體成分變化的影響。該種流量計在國外使用較多，而國產(chǎn)渦輪流量計由于其流量下限較高，因此很少在城市燃氣管網(wǎng)上使用。

目前，國外生產(chǎn)的渦輪流量計有，IGM國際氣體測控公司的滿(mǎn)管式氣體渦輪流量計，精度在Qmin～0.2Qmax時(shí)為±2%（用戶(hù)要求時(shí)可達±1%），在0.2Qmax～Qmax時(shí)為±1%（用戶(hù)要求時(shí)可達±0.5%），流速測量范圍為0.3～15m/s；EFL電氣流量?jì)x表有限公司的插人式氣體渦輪流量計精度為±2%，流速測量范圍為0.3～20m/s。

國內生產(chǎn)的氣體渦輪流量計技術(shù)指標為，滿(mǎn)管式渦輪流量計的流速測量范圍為4～26m/s，精度為±1.5%；插人式渦輪流量計的流速測量范圍為3～15m/s，精度為±2.5%

與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比，國內產(chǎn)品在流速測量的下限這一指標上具有較大的差距，而這一指標在城市燃氣管網(wǎng)的流量測量中*為重要。

為提高渦輪流量計的量程比和擴展其測量下限，研制出了一種寬程、程低流速氣體的渦輪流量計。這種渦輪流量計的精度在Qmin～0.2Qmax時(shí)為±2%，在0.2Qmax～Qmax時(shí)為±1.5%，流速測量范圍為0.3～10m/s。這種流量計為插入式結構，適用于φ100～200口徑的管道，并具有維護方便的優(yōu)點(diǎn)。該流量計于1998年通過(guò)了天津市技術(shù)監督部門(mén)的性能測試，已開(kāi)始應用于城市燃氣管網(wǎng)的流量測量。

二、渦輪流量計工作原理

渦輪流量計的工作原理示意圖如圖1所示。在管道中心安放一個(gè)渦輪，流體通過(guò)時(shí)沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅動(dòng)力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉，其旋轉角速度與流體流速正相關(guān)。 由檢測探頭檢測出葉片轉動(dòng)頻率，輸入流量顯示積算儀得到瞬時(shí)流量和累計流量。

為適應城市燃氣管網(wǎng)的流量測量要求，應盡量拓寬流量測量的下限，即盡量降低渦輪流量計的始動(dòng)流量qmin。建立了一種渦輪流量計的理論模型。在流體處于定常流狀態(tài)時(shí)，渦輪在流體的驅動(dòng)力矩Tr作用下轉動(dòng)，阻力矩包括軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機械摩擦阻力矩Trm、渦輪與流體之間產(chǎn)生的流體阻力矩Trf，以及檢測探頭對渦輪產(chǎn)生的電磁阻力矩Trt，并應有以下平衡關(guān)系：

Tr=Trm+Trf+Trt   （1）

由流體力學(xué)可知，當流體的流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，流體產(chǎn)生的摩擦力正比于流速的平方；當流動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，其摩擦力正比于流速，所以摩擦力均正相關(guān)于流速。當渦輪剛啟動(dòng)而處于始動(dòng)流量附近時(shí)，顯然Trf趨近于零。故在分析始動(dòng)流量時(shí)可不考慮流體摩擦產(chǎn)生的阻力，而僅考慮機械摩擦和電磁阻力即可。

三、渦輪的設計與研究

渦輪流量計的流量計算可采用式（2）：

式中

qv-瞬時(shí)流量，m3/s；

F-渦輪葉片產(chǎn)生的信號頻率，Hz；

K-儀表系數，1/m3。

在渦輪的設計方法中，*先要考慮的是盡量保證儀表系數的線(xiàn)性度，然后才能用式（2）進(jìn)行流量計算。為了滿(mǎn)足線(xiàn)性度的要求，葉片一般設計成按圖1所示的螺旋狀葉片。在渦輪的研究中，對于流量計的信息處理采用了計算機技術(shù)，可以對儀表系數的非線(xiàn)性進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。這就給葉片結構的設計提供了更廣闊的空間，即設計時(shí)可以完全不考慮線(xiàn)性問(wèn)題，而只考慮能產(chǎn)生足夠大的驅動(dòng)力矩和盡量小的摩擦力矩即可。

在經(jīng)過(guò)系列研究和實(shí)驗之后，渦輪*終采用了由圖2所示的結構。葉片類(lèi)似于風(fēng)扇葉片的形狀，傾角45°，由0.3mm厚的不銹鋼薄板整體沖壓而成，葉片數量為20片。這種形狀的葉片雖然非線(xiàn)性較大，但重量相對較輕，這對于降低始動(dòng)流量很有好處，而其非線(xiàn)性則可通過(guò)單片機進(jìn)行曲線(xiàn)擬合的方法予以修正。

由圖2可以看出，這種渦輪沒(méi)有采用前后兩個(gè)軸承的結構，而是采用了單軸承式結構。軸承采用了進(jìn)口的微型滾動(dòng)軸承。軸為固定不動(dòng)，單軸承安裝在軸的中間，由軸承套固定葉片。這種結構不僅減少了軸承引入的機械摩擦，而且還克服了因前后軸承不同心而產(chǎn)生的阻力。另外，這種結構也有利于軸承的防塵，密閉性更好。

四、檢測探頭的研究

一般渦輪流量計采用內部嵌有永久磁鋼的線(xiàn)圈作為檢測探頭。葉片轉動(dòng)時(shí)切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感生電勢，該電勢藕合到線(xiàn)圈中，在線(xiàn)圈兩端可產(chǎn)生相應的周期性變化的感應電勢。當渦輪轉速很低時(shí)，可以觀(guān)察到它的轉動(dòng)不穩定。當葉片運動(dòng)到磁鋼附近時(shí)，會(huì )出現一個(gè)減速甚至停頓的過(guò)程，這是由永久磁鋼對葉片的吸引力即電磁阻力造成的，因而在研究渦輪的轉速特性時(shí)，電磁阻力是一個(gè)必須予以重視的問(wèn)題。

檢測探頭內部嵌有一個(gè)軟磁性材料的線(xiàn)圈，其工作原理是以電渦流為基礎。在線(xiàn)圈中通以高頻激勵信號，周?chē)a(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)。當葉片處于這一磁場(chǎng)中時(shí)，葉片中就會(huì )產(chǎn)生電渦流。之后，該電渦流會(huì )產(chǎn)生一個(gè)阻礙高頻交變磁場(chǎng)叭變化的磁場(chǎng)，進(jìn)而作用在線(xiàn)圈上，對高頻激勵信號的幅度與頻率予以調制。經(jīng)信號處理電路，可反映葉片的頻率變化。

該檢測過(guò)程可等效為，將線(xiàn)圈和葉片看作為一個(gè)電感L的原邊和次邊，L由線(xiàn)圈的自感L1、葉片的自感L2以及它們的互感M構成。當葉片離開(kāi)線(xiàn)圈時(shí)，L中僅存在L1；當葉片處于線(xiàn)圈位置時(shí)，由于互感M的作用，感抗L是變化的，而L作為L(cháng)C振蕩電路中的電感元件，它的變化將改變振蕩電路信號的幅度與頻率。

采用這一電磁激勵結構，由于不產(chǎn)生電磁引力，因此不存在電磁阻力，即

Tre=0

五、非線(xiàn)性修正的研究

如前所述，為了降低渦輪的始動(dòng)流量qtmin，并降低儀表系數K較大的非線(xiàn)性，如何對非線(xiàn)性進(jìn)行修正就是一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題。

根據**計量檢定規程對速度式流量計檢定點(diǎn)的規，檢定點(diǎn)包括7個(gè)點(diǎn)，即qmin、0.07 qmax、0.15 qmax、0.25qmax、0.4 qmax、0.7qmax和qmax。檢定點(diǎn)的數量是有限的7個(gè)，而流量計在使用中，流量測量在qmin～qmax范圍內為任意的。這樣，流量計的檢定點(diǎn)和 非檢定點(diǎn)就會(huì )遠遠超過(guò)7個(gè)。圖3給出了儀表系數K與信號頻率F（或流量q）的典型非線(xiàn)性趨勢。

顯然不能再沿用平均儀表系數計算流量的方法，而應該用式（3）來(lái)計算在對應頻率信號F時(shí)的儀表系數K，再用式（2）計算流量。

K=f（F）   （3）

該擬合公式的具體形式可用兩種方法求取，即折線(xiàn)法和*小二乘方法。

折線(xiàn)法是指將每?jì)蓚€(gè)相鄰檢定點(diǎn)用直線(xiàn)相連接。顯然，在檢定點(diǎn)上，其擬合誤差為零，然而在非檢定點(diǎn)上具有較大誤差。表1給出了一組典型的折線(xiàn)法非線(xiàn)性修正擬合數據。

擬合誤差的計算公式為

從表1可見(jiàn)，在非檢定點(diǎn)處的*大擬合誤,差達到±1.65%。

*小二乘方法得到的是一條連續曲線(xiàn)，其原則是使各檢定點(diǎn)到該曲線(xiàn)的誤差平方和為*小。由于檢定點(diǎn)上得到的數據并非標準值，其本身也具有一定的誤差，而且實(shí)際使用的渦輪流量計K-F特性曲線(xiàn)應該是連續的、平滑的，因此盡管在檢定點(diǎn)處的擬合誤差不一定等于零，但用*小二乘方法得到的連續曲線(xiàn)應該能更好地反映K-F關(guān)系的本質(zhì)。表2給出了用*小二乘方法得出的一組非線(xiàn)性修正擬合誤差數據。

由表2可見(jiàn)，*大擬合誤差僅為±0.15%，遠優(yōu)于折現法的擬合誤差結果。

六、渦輪流量計的應用

儀表樣機于1998年在天然氣和煤制氣調壓站進(jìn)行了試驗運行。在試驗管道上，均串聯(lián)美國德萊塞儀表公司的羅茨表氣體流量計（其精度為±1%）作為標準表進(jìn)行了比對。表3、表4分別給出了天然氣和煤制氣流量計試驗數據。

從試驗結果可以看出，寬量程氣體渦輪流量計的計量結果與價(jià)格昂貴的進(jìn)口羅茨式儀表的計量結果基本一致，該流量計可以用于城市燃氣管網(wǎng)的流量計量。