流体涡轮流量计设计

1《液体涡轮流量计设计》[前言]在工业现场，测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。是工业测量中最重要的仪表之一。随着工业的发展，对流量测量的准确度和范围要求越来越高，为了适应多种用途，各种类型的流量计相继问世，广泛应用于石油天然气、石油化工、水处理、食品饮料、制药、能源、冶金、纸浆造纸和建筑材料等行业。而其中液体涡轮式流量计因其不受测量参数影响，可以测量多种介质的优点而广泛应用于工业中流体的测量，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。涡轮流量计具有结构简单、重量轻、维修方便、加工零部件少、流通能力打及价格低廉等特点，已经广泛应用于石油类、有机液体、无机液体、低温液体等的精确测量。随着科学技术的发展，生产环境日趋复杂，对流量测量的要求也越来越高。因此，运用不同的物理原理和规律也相继问世与之相适应，如差压流量计、电磁流量计、涡轮流量计超声波流量计和质量流量计等等。在所有流量计中，涡轮流量计、容积式流量计及科里奥利质量流量计为重复性、精确度最好的流量计。这三类流量计中，涡轮流量计具有结构简单、重量轻、维修方便、加工零部件少、流通能力打及价格低廉等特点，已经广泛应用于石油类、有机液体、无机液体、低温液体等的精确测量。2[主题]一、涡轮机流量计工作原理涡轮流量计的工作原理是根据置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比，通过测量叶轮的旋转角速度得到被测流体的流速，从而得到管道内的流量值。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．涡轮机流量计的原理如图1所示，在管道中心安放一个涡轮，两端支撑，当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮客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，产生于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到频率电流转换电路，将脉冲信号转化成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。31涡轮流量计原理示意图2涡轮流量计总体原理框图整个仪表由壳体、导向体（疏流器）、叶轮、轴、轴承及信号检测器等组成。涡轮流量计在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体进入流量计时，首先要经过涡轮流量计内部特殊结构的前导流体并加速。在流体的作用下，涡轮叶片会与流体流向形成一定角度，这个时候涡轮就会产生转动力矩，这个转动力矩需要克服阻力力矩和摩擦力矩之后才能带动涡轮开始转动。当转动力矩、阻力力矩和摩擦力矩达到平衡时，涡轮的转速就会恒定。而且涡轮转动速度与流量成线性关系。叶轮的转速经一副齿轮减速，同时由一个密封的磁性耦合器件将转动的趋势传到仪表外部的机械式计数器。利用电磁感应原理，通过旋转的涡轮叶片顶端导磁体周期性地改变磁阻，将检测线圈检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，经过放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位与流量积算电路，得到并显示累积流量值；同时将脉冲信号送入频率-电流转换电路，转换成模拟电流，进而指示瞬时流量值。二、涡轮流量计的组成结构1、涡轮流量计的构造4涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送人显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求瞬时流量和累积流量州。管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的k，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。尽管涡量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮变送器的仪表常数k也不完全一样，它通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送人显示仪表，就可以实现流量的测量。涡轮流量计特点具有精度高、重复|生好、无零点漂移、高量程比等优点。涡轮流量计拥有高质量轴承、特别设计的导流片，因此极大降低了磨损，对峰值不敏感，甚者恶劣的条件下也可以给出可靠的测量变量。缺点：(1)测量气、液混相或粘度较大的流体会产生很大的误差；(2)测量的含有颗粒的流体需要提前过滤以免涡轮被卡。5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．2、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，由于涡轮处直径略小于前后支架处直径，所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静压上升，这个的静压将起到抵消部分轴向推力的作用．(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，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，6两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．三、涡轮机流量计类型A、现场显示型本智能流量计是采用先进单片微机技术设计的新型流量计显示仪表，与脉冲信号输出的流量传感器（如涡轮、旋涡）配套。可显示瞬时流量和累计总量。累计流量：八位数字，小数点后面3位有效数字。瞬时流量：六位数字，可显示出每升的变化。显示精度：±1个显示单位。信号输出：脉冲输出：1~3000Hz外供+12~+24VDC电源电流输出：4~20mA外供+24VDC电源（两线制）内置2节3V锂电池并联供电。当电压低于2.7V时出现欠压指示，隔爆型。小信号切除功能。B、脉冲输出型工作电压：+12VDC或+24VDC两种（客户定货前必须选定一种供电电源）。信号传输距离：小于250米。输出信号：方波信号幅值：+12VDC供电幅值大约为10V+24VDC供电幅值大约为20V安装：放大器和涡轮流量传感器连接为M16×1.5螺纹，涡轮流量传感器安装完后，把放大器拧到涡轮流量传感器上，用手拧到感觉放大器到底后再把锁紧螺母带紧。接线：脉冲输出型放大器对外引线为三根，红线、白线和屏蔽。红线接正电源，白线为脉冲输出和其它显示仪或设备连接，屏蔽接地。C、4～20mA输出型7工作电压：外供电+24VDC（两线制）输出信号：4~20mA或1-5V、4mA对应涡轮流量传感器零流量，20mA对用涡轮流量传感器最大流量，流量范围见涡轮流量传感器铭牌。信号传输距离：小于250米。安装：涡轮流量传感器安装完后，把放大器拧到涡轮流量传感器接头处（m16×1.5螺纹），用手拧到感觉放大器已经到底后把锁紧螺母带紧。接线：4~20mA输出型放大器对外引线为红线和白线。红线为电源线，白线为信号线。D、分体远传显示型工作电压：外电源供电220VAC信号传输距离：小于250米显示仪瞬时四位：累计总量九位显示显示仪尺寸：横式：160mm×80mm竖式：80mm×160mm显示仪带4~20mA输出并能与计算机连接。应用概况:SF70涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国,涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸,压力从0.8~6.5MPa的气体涡轮流量计,它们已成为优良的天然气计量仪表。SF70型涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表配套可用于测量液体的流量和总量。广泛用于石油、化工、冶金、科研等领域的计量、控制系统。配备有卫生接头的涡轮流量传感器可以应用于制药行业。一体化涡轮流量计结构为防爆设计，可以显示流量总量，瞬时流量8和流量满度百分比。电池采用长效锂电池，单功能积算表电池使用寿命可达5年以上，多功能显示表电池使用寿命也可达到12个月以上。一体化表头可以显示的流量单位众多，有立方米，加仑，升，标准立方米，标准升等，可以设定固定压力、温度参数对气体进行补偿，对压力和温度参数变化不大的场合，可使用该仪表进行固定补偿积算。液体涡轮流量计的技术性能对于粘度较高的液压油，机油，小口径规格可以采用实流标定。四、涡轮机流量计应用场合1、涡轮流量计由于其结构及测量原理使其具有以下优点：（1）高精度对于液体一般为±0.25%~±0.5%，高精度型可达到±0.15%；当介质为气体时，一般为±1.5%,特殊专用型为±0.5%~1%，在所用流量计中，涡轮流量计属于最精确的。（2）重复性好短期重复性可达0.05%~0.2%，正是由于其具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得极高的精确度，使其成为在贸易结算计量的优秀解决方案之一。（3）测量范围宽中大口径可达40:1~10:1，小口径为6:1或5:1。（4）输出脉冲频率信号适于总量计量及计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。可获得很高的频率信号（3~4Hz），信号分辨率强。（5）适用于高压测量仪表表体不必开孔，易制成高压型仪表。（6）结构类型多，可适应各种测量对象的需要。2、应用的场合9（1）微功耗插入式切向涡轮流量计由插入式涡轮传感器、热敏电阻和微功耗流（热）量计组成，可测量不同管径中液体介质瞬时及累积流量，介质温度和瞬时及累积热量（热量型）。传感器采用镍基碳化钨、红宝石、聚四氟等材料，具有抗腐蚀性能好、耐磨度高、可靠性强等特点；构成流量计的单片微机接口电路均采用微功耗器件，具有无需外接电源（内置锂电池连续工作5年以上）、防爆性能好、应用方式更加灵活的特点。插入管道中的转子叶轮在流体的冲击下转动，转速与流体流速成正比，每个叶轮叶片上嵌有磁钢，通过安装在叶轮上部的线圈或霍尔元件发出与流体流速成正比的脉冲信号。而热量的检测是将热敏元件嵌入叶轮转子支架中，将介质温度转化为电阻变化。由单片机等器件构成的微功耗流量计，接收脉冲和电阻信号计算出流体的流量和热量并可显示和远传该信号。由切向涡轮传感器（也可采用其它流量传感器）产生的mV脉冲信号首先由施密特整形比较电路产生方波脉冲信号，然后送到单片机的脉冲计数口计数，单片机内含有2路R／F，A／D转换电路，将2路热敏电阻随温度变化而产生的电阻变化转化为频率脉冲信号，送入A／D转换器，单片机接收到流量脉冲信号和温度信号，按流量型和热量型分别计算、显示出瞬时流量、累计流量、温度、瞬时及累计热量。涡轮流量计是人们常用的一种流量测量仪表，由于它的重复性好，适应性强，量程比宽等优点，加上智能化显示控制仪表的出现，在较高准确度要求的计量场合得到了广泛的采用。要准确测量液体流10量就有两种方法：第一是恒定流速法，即固定通过涡轮的