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涡轮流量计的工作原理与结构

    1．涡轮流量计的工作原理
涡轮流量计的原理示意图如图3—1所示．在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑．当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转．在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比．由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量．
涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测．当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化．传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值．
    涡轮流量计总体原理框用见图3—2所示．
    2．涡轮流量计的构造
    流体从机壳的进口流入．通过支架将一对袖承固定在管中心轴线上，涡轮安装在轴承上．在涡轮上下游的支架上装有呈辐射形的整流板，以对流体起导向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用角度．在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁通变化信号．
    下面介绍主要部件．
    (1)涡轮
    涡轮由导磁不锈钢材料制成，装有螺旋状叶片．叶片数量根据直径变化而不同，2－24片不等．为了使涡轮对流速有很好的响应，要求质量尽可能小．
对涡轮叶片结构参数的一般要求为：叶片倾角10°－15°(气体)，30°－45°（液体）；叶片重叠度P为1—1．2；叶片与内壳间的间隙为0．5—1mm．
    (2)轴承
    涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，要求耐磨性能好．
由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使铀承的摩擦转矩增大，加速铀承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措施，这方法的原理见图3—3所示．由于涡轮处直径DH略小于前后支架处直径Ds，所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静压上升 P，这个 P的静压将起到抵消部分轴向推力的作用．
图3－3   水力平衡原理示意图
(3)前置放大器
前置放大器由磁电感应转换器与放大整形电路两部分组成，示意图见图3—4所示．
磁电转换器国内一般采用磁阻式，它由永久磁钢及外部缠绕的感应线圈组成．当流体通过使讽轮旋转的，叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小，两叶片空隙在磁钢下方时磁阻最大，涡轮旅转，不断地改变磁路的磁通量，使线圈中产生变化的感应电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号．
输出脉冲的频率与通过流量计的流量成正比，其比例系数K为
                      K＝                               （3－1）
式中  f──涡轮流量计输出脉冲频率；
      qv——通过流量计的流量．
该比例系数亦称为涡轮流量计的仪表系数。
图3－4  涡轮流量计前置放大器原理图
(4)信号接收与显示
    信号接收与显示器内系数校正器、加法器和频电转换器等组成，其作用是将从前置放大器送来的脉冲信号变换成累积流量和瞬时流量并显示．

涡轮流量计的特点与安装使用
1．涡轮流量计的特点
    从前面的讨论中可知，涡轮流量计是一种有很多优点的流量仪表．归纳起来，它有如下特点．
    (1)准确度高
    涡轮流量计的准确度在(0．5－0. 1)％左右．在线性流量范围内，即使流量发生变化，累积流量准确度也不会降低．并且在短时间内，涡轮流量计的再现性可达0．05％．
    (2)量程比宽
    涡轮流量计的量程比可达8—10．在同样口径下，涡轮流量计的最大流量值大于很多其它流量计．
    (3)适应性强
    涡轮流量计可以做成封闭结构，其转速信号是非接触测量，所以容易实现耐高压设计。
    如果流量计的涡轮和轴承选择耐高温、热膨胀系数小的材料，就可以在较宽的温度范围内使用．这时，应注意对它的仪表系数进行修正(主要是其流通截面的变化)：
                      K＝K0[1－( R＋2 H)(t－to)]                     (3－23)
式中  K，K0——使用时和校验时的仪表系数；
      t，t0——使用时和校验时的流体温度；
      R， H分别为涡轮和机壳的材料膨胀系数．
    (4)数字信号输出
    涡轮流量计输出为与流量成正比的脉冲数字信号．它具有在传输过程中准确度不降低、易于累积、易于送入计算机系统的优点．
    2. 涡轮流量计的安装使用
    要想充分发挥涡轮流量计的特点，在流量计的安装使用上还必须加以充分注意．下面概要讨论一下这方面的问题．
    (1)被测介质
    涡轮流量计所测得的液体，一般是低粘度的(一般应小于15×l0－6m2／s)、低腐蚀性的液体．虽然目前已经有用于各种介质测量的涡轮流量计，但对高温、高粘度、强腐蚀介质的测量仍需仔细考虑，采取相应的措施．当介质粘度v大于15×l0－6m2／s时，流量计的仪表系数必须进行实液标定，否则会产生较大的误差．
    汽－液两相流、气－固两相流、浓－固两相流均不能用涡轮流量计进行测量．
    (2)安装配管要求
    流量计的安装情况对流量计的测量准确度影响很大．
    ①流速分布不均和管内二次流的存在是影响涡轮流量计测量准确度的重要因素．所以，涡轮流量计对上、下游直管段有—定要求．对于工业测量，一般要求上游20D，下游5D的直管长度．为消除二次流动，最好在上游端加装整流器．若上游端能保证有20D左右的直管段，并加装整流器，可使流量计的测量准确度达到标定时的准确度等级．
    ②涡轮流量计对流体的清洁度有较高要求，在流量计前须安装过滤器来保证流体的清洁．过滤器可采用漏斗型的，其本身清洁度，可测其两端的差压变化得到．
    ③为保证通过流量计的液体是单相的，即不能让空气或蒸气进入流量计，在流量计上游必要时应装消气器．对于易气化的液体，在流量计下游必须保证一定背压．该背压的大小可取最大流量下流量传感器压降的二倍加上最高温度下被测液体蒸气压的1．2倍．
(3)信号传输线
为了保证显示仪表对涡轮传感器输出的脉冲信号有足够的灵敏度，就要提高信噪比．为此，在安装时应防止各种电干扰现象，即电磁感应，静电及电容耦合．所以，在配置信号传输线时，必须注意如下几点：
①限制信号线的最大长度．信号线的最大长度为，L＝dV；其中，V为在最小流量时传感线圈的输出电压有效值，mV；d为系数，m／mV，其值可取：V＜1000mV时，d＝1．0；1000 mV＜d＜5000 mV时，d＝1．5；V＞5000mV时，d＝2．0．
②信号传输线应采用屏蔽电缆，以防来自外部的感应噪声．要求传输电缆在显示仪表端屏蔽接地．传输电缆不能靠近强电磁设备，不允许与动力线乎行布置．
(4)运转维护
①当涡轮流量计的管道需要清洗时，必须开旁路，清洗液体不能通过流量计．
②管道系统启动时必须先开旁路，以防止流速突然增加，引起涡轮转速过大而损坏．
③涡轮流量计轴承应定期更换，一般可根据小流量特性变化来观察其轴承的磨损情况．