由内而外的谈谈涡轮流量计

第1节介绍

　　涡轮流量计（以下称为涡轮流量计）是叶轮式流量（流量）计量器的主要品种，叶轮式流量计也具有风速计，水表等。

　　涡轮流量计，容积式流量计和各种流量计中的科里奥利质量流量计是具有最佳重复性和精度的三种类型的产品。涡轮流量计具有自身的特点，如结构简单，零件加工。体积小，重量轻，维修方便，流量大（通过口径的流量相当大），并能适应高参数（高温，高压，低温）等。到目前为止，这些流量计产品可以达到的技术参数：口径4〜750mm，压力可达250MPa，温度-240〜700℃，其他两种类型的流量计难以实现。

　　涡轮流量计广泛用于以下测量对象：石油，有机液体，无机液体，液化气体，天然气，气体和低温流体。在国外，首尾站采用液化石油气，成品油，轻质原油等运输集输站，大小原油管道进行贸易结算。欧洲和美国的涡轮流量计是孔板仪表后的天然气仪表，仅限于荷兰气体管线上使用了2,600多种尺寸和压力各不相同的燃气涡轮流量计，它们已经成为优秀的天然气流量计。

　　虽然涡轮流量计的精密计量特性受到了人们的青睐，但这种印象是由于运动部件寿命短，在选择过程中无法避免的事实给人的印象。经过不懈努力，应该说情况发生了很大变化。

　　作为最常用的流量计，涡轮流量计已经发展成为一个大规模，全范围，多尺度的大规模生产规模。需要指出的是，涡轮流量计除了科研实验，国防科学技术和计量部门等上述工业部门外，还在一些特殊部门得到广泛应用。这些领域的使用只是避免了它们的弱点（不适合长期连续使用）。充分发挥其特点（精度高，重复性好，可用于高压，高温，低温和微流动条件下）。在这些领域中，大多数都是基于被测物体的特殊要求，它们是特殊的结构设计。它们是不是大规模生产的特殊仪器。

第二节工作原则

涡轮流量计的工作原理

　　图1显示了涡轮流量计传感器的结构。从图中可以看出。当待测流体通过传感器时，在流体的作用下，叶轮被迫旋转，其转速与管道平均流速成正比。叶轮的旋转周期性地改变磁电转换器的磁阻。周期性地改变检测线圈中的磁通量以产生周期性感应电势，即，由放大器放大并发送到显示仪表显示器的电脉冲信号。

　　涡轮流量计的流量方程为

Qv = f / K（7.1）

Qm =qvρ（7.2）

       在公式

       Qv，qm-分别为体积流量，m3 / s，质量流量，kg / s;

       F--流量计输出信号的频率，Hz;

       K米表系数，P / m3。

　　流量计的流量计系数和流量（或流水线雷诺数）的曲线如图2所示。从图中可以看出，流量计系数可以分为两部分，即线性部分和非线性部分。线性部分约为工作部分的三分之二，其特征与传感器结构的尺寸和流体的粘度有关。在非线性中在该部分中，特性受轴承摩擦和流体粘性阻力的影响很大。当流量低于传感器下限时，仪表系数随流量迅速变化。压力损失和流量近似平方。当流量超过流量上限时，应小心防止气蚀。类似结构的涡轮流量计特征曲线在形状上是相似的，并且他仅在系统误差水平方面不同。

涡轮流量计特性曲线

　　传感器的仪表系数由流量校准装置进行验证。它不会询问传感器内部流体的流动机制。传感器被用作黑匣子。转换系数根据输入（流量）和输出（频率脉冲信号）确定。这很方便。实际应用。但是，应该注意的是，这个换算系数（仪表系数）是有条件的。其检查条件是参考条件。如果使用时偏离此条件，则系数会改变。这种变化将取决于传感器的类型，管道安装条件和流体性能参数。视情况而定。

第3节主要特点

1）精度高，一般为±0.25％R-±0.5％R，液体精度为±0.15％R，高精度型为±1％R-±1.5％R，尤其是特殊型精度为±0.5％R- ±1％R。它是所有流量计中最准确的。

2）良好的重复性，0.05％-0.2％的短期重现性，由于重复性好，如频繁校准或在线校准等可以非常高的准确度获得，是贸易结算中的首选流量计。

3）输出脉冲频率信号，适合与计算机进行全面测量和连接，无零点漂移，抗干扰能力强。

4）可以获得高频信号（3-4 kHz），信号分辨率很强。

5）范围很广。中大口径可达40：1-10：1，小口径可达6：1或5：1。

6）结构紧凑轻巧，安装维修方便，循环量大。

7）适用于高压测量，仪表本体不需要开孔，便于制作高压仪表。

8）专用传感器种类繁多，可根据用户的特殊需求设计各种专用传感器，如低温型，双向型，井型等。羽绒型，沙子专用型。

9）可制成插入式，适用于大口径测量，低压力损失，价格低廉，流量恒定，安装维修方便。

10）很难长时间保持校准特性，需要定期校准。对于非润滑液体，液体中含有悬浮物或磨蚀性物质，引起轴承磨损和卡死等问题，限制了其应用范围，使用耐磨硬质合金轴和轴承有所提高。对于贸易储存和高精度测量要求，最好有现场校准设备，可以定期校准以保持其特性。

11）通用液体涡轮流量计不适用于高粘度介质（高粘度型除外）。随着粘度的增加，流量计测量的是较低的线值，范围变小，线性变差。

12）流体特性（密度，粘度）对仪器特性有很大影响。气体流量计易受密度影响，液体流量计对粘度变化敏感。由于密度和粘度与温度和压力密切相关，温度和压力波动在现场是不可避免的。必须根据对精度的影响程度采取补偿措施，以保持较高的测量精度。

13）流量计受流速分布和旋转流量变形，传感器影响在上游和下游侧，需要长直管段。如果安装空间有限，可以增加流量调节器（整流器）以缩短直管段的长度。

14）不适合测量脉动流量和可混流量。

15）被测介质的清洁度要求很高，这限制了适用领域。虽然可以安装过滤器以适应脏介质，但也会带来副作用，如压力损失增加和维护量增加。

16）小直径（DN50以下）仪表的流量特性受物理特性的严重影响，小直径涡轮流量计的仪表性能难以提高。

第四节分类和传感器结构

4.1分类

（1）按传感器结构分类

1）轴型（普通型）叶轮轴心与管轴一致，是涡轮流量计的主导产品。有全套产品（DN10-DN600）。

2）切向型叶轮的轴线垂直于管道轴线，流体流向叶片平面的迎角约为90度，适用于小直径微流动产品。

3）机械式叶轮直接旋转或通过磁力联轴器驱动机械计数机构，但总量累计，测量精度略低于电气信号检测传感器，传感器和显示装置被集成到一个类型中，并受到用户的欢迎。

4）井下专用型适用于地下采油作业和采矿，测量介质泥浆和油流量，传感器体积有限，需要承受高压，高温和流体冲击。

5）自校准双涡轮机型可用于天然气和其他气体流量测量。传感器由主叶轮和辅助叶轮组成。流量特性的变化可以通过两个叶轮的速度之间的差异自动校正。

6）宽粘度型在波特浮动转子压力平衡结构的基础上扩大了上锥体和下锥体的直径，并增加了粘度补偿翼和承压叶片等结构措施，使得传感器适用于高粘度液体，如重油，粘度可达30mm2 / s。

4.2传感器结构

　　涡轮流量计传感器由本体，导向体（导轨），叶轮，轴，轴承和信号检测器（见图1）组成。

1）身体。传感器的主体是传感器的主要部分。它起到待测流体压力，检测部件的固定安装以及管道连接的作用。主体由非磁性不锈钢或硬铝合金制成。对于大直径传感器，已经使用碳钢和不锈钢的组合，并且在体壁的外侧安装了信号检测器。

2）导向体。传感器的入口和出口处有一个导向体。他作为流体整流和支撑叶轮的指导，叶轮通常由非磁性不锈钢或硬铝制成。推力反向涡轮流量传感器的后部偏转器也需要足够数量的反向推力，这在很多形式中都是如此。前导流板具有可以抵抗流体流动的严重干扰的专利产品。

3）涡轮机。叶轮也称为传感器的检测元件，由高导磁性材料制成。叶轮有直叶片，螺旋叶片和T形叶片等。嵌入有许多磁铁的多孔环套圈也可用于增加一定数量涡轮叶片的旋转频率。叶轮由支架中的轴承支撑并与本体同轴。叶子的数量取决于孔径的大小。叶轮必须根据流体的性质，流量范围和应用要求来设计对传感器性能有很大影响的形状和尺寸。叶轮的动态平衡非常重要，这直接影响仪器的性能和使用寿命。

4）轴和轴承。它支持叶轮旋转，并需要足够的刚性，强度和硬度，耐磨性和耐腐蚀性。它决定了传感器的可靠性和使用寿命。传感器故障通常由轴和轴承引起，因此其结构和材料选择和维护非常重要。

5）信号检测器。国内常用的可变磁阻型，如图1的前半部分所示。由永磁体，磁棒（磁芯），线圈等组成。永磁体吸引叶片并产生磁阻转矩。当小口径传感器处于小流量时，磁阻转矩成为阻力矩中的主要项目。为此，将永磁体分成两种尺寸，小直径小尺寸以减小磁阻转矩。有效值10mV以上的输出信号可以直接配备流量计算机，放大器可以用来输出电平的频率信号。

　　传感器结构有很多种类。这里介绍几种广泛使用的产品。

1）推力式涡轮流量传感器该类产品的示意结构如图3所示。图（a）和（b）为轴向推力型，使用平面或球形点接触，接触点与传感器的轴线重合。点接触的优点是摩擦力矩非常小，可用于下限下限流量，但流量大时磨损严重。图（c）是端面接触推力型。末端是球形的，轴承是平的。这种结构只适用于小直径（DN≤15mm）的传感器，并具有很高的灵敏度。

涡轮流量计推力结构图

2）反推式涡轮流量传感器该类型产品的结构示意图如图4所示。在图4（a）中，输入端面的压力降低，产生反推力。图4（b）显示了流体通过前孔引入的反推力。图4（c）显示了流体的向后推力。反推结构可使叶轮在一定流量范围内保持浮动状态，轴向无接触点，端面摩擦磨损不会延长使用寿命。

涡轮流量计反推结构图

3）切向涡轮流量传感器图5显示了用于微流量测量的涡轮流量传感器。流体沿叶轮的切线方向流动并且影响叶片的旋转。由于测量流量小，为了增加流体对叶轮的冲击，在入口处安装喷嘴，并且可以更换喷嘴孔以调节流量范围。叶轮的转速采用光电方法测试，以避免不情愿的时刻，如不情愿。

涡轮流量计切向结构图

4）气体涡轮流量计气体密度远小于液体密度，流体推力扭矩小。气体流量传感器和液体流量传感器之间的结构参数存在显着差异。为了增加轮毂的半径，缩小流路的横截面面积并增加气流的流速并将其聚焦通过叶片的边缘。由于气流速度较高，需要攻角较小的叶片。一般要降低摩擦阻力矩，使用滚动轴承，并将润滑剂注入轴承系统。它可以冲走轴承表面的颗粒并延长轴承寿命。在润滑剂交换过程中，多孔油槽可以持续向轴承供油。图6中示出了典型的燃气涡轮流量计。图6（a）示出了燃气涡轮流量计的横截面图。图6（b）显示了传感器显示设备上的气体体积补偿器。补偿器通过压力和温度将传感器测得的实际体积流量转换为标准条件下的体积流量。还有许多功能，如报警，自诊断，远程信号等。他是一个功能齐全的流量计算机。

燃气轮机流量计传感器结构

第五节选择的考虑因素

（1）准确性

　　一般来说，涡轮流量计的选择主要是因为其高精度。目前，涡轮流量计的精度大致为液体：国际市场为±0.15％R，±0.2％R，±0.5％R和±1％R。国产定型产品的R值为±0.5％和±1％;气体：国际市场为±0.5％R和±1％R，国内为±1％R和±1.5％R。以上精度指的是6：1或10：1的范围。表1列出了几种涡轮流量传感器的典型参数。除了其自身的产品质量外，精度还与使用条件密切相关。

　　如果范围变窄，则精度可以提高;特别是作为标准仪表流量标准装置的标准流量计，如果在固定点使用，则可以大大提高精度。

　　流量计的精确度越高，对现场使用条件的变化越敏感。为保持其高精度，需要对仪表系数进行特殊处理。一种处理方法是所谓的计量系数浮动方法。也就是说，在现场进行实时处理的条件如下：a）粘度受温度影响; b）密度受压力和温度的影响; c）传感器信号冗余（一个传感器该设备输出两个信号并监测其比率; d）系数的长期稳定性（由控制图确定）。

　　对于贸易储存和交付测量，常常提供在线校准设备用于定期验证。

　　制造商使用说明书中列出的仪器精度是基本误差。应当当场估计额外的错误。现场错误应该是两者的结合。

（2）流量范围的选择

　　涡轮流量计流量范围的选择对其精度和寿命有很大影响。一般来说，工作时的最大流量不应该太高。使用状态分为两种类型：连续工作和间歇工作。连续工作意味着每天工作时间超过8小时，间歇工作时间少于每天8小时。对于连续运行，应在仪表上限流量的下限处选择最大流量，可在较高位置选择间歇工作。在一般的连续工作中，实际最大流量乘以1.4作为流量范围的上限流量，而间歇工作乘以1.3。

　　如果仪器的直径与过程管道的直径不相同，则应使用不同直径的管道和直管来修改管道。

　　对于低流量的工艺流程，最小流量是选择仪器口径的首选考虑到这个问题，实际的最小流量通常乘以0.8作为流量范围的下限流量，从而留有一定的余量。如果配备了具有分段线性化功能的显示装置，如果传感器流量的下限不能满足实际最小流量，则应要求制造商在实际最小流量及其附近进行流量检查，并且测量的流量系数应为被输入到显示器。这不仅会降低仪器的流量下限，还会保持测量的准确性。

（3）准确度等级

　　应该认真考虑对仪器准确度的要求，并从经济角度考虑。例如，大口径石油（天然气）管道的贸易结算工具在经济上具有重要意义。对仪器进行更多投资是符合成本效益的。对于输送量不大或者只有中等精度的水平可以用作过程控制，就不能避免高精度的盲目追求。本安型防爆传感器适应安全围栏型号和制造厂，并检查防爆等级和认证编号。要显示质量流量（或标准状态下的体积流量），请选择压力，温度传感器或密度计。涡轮流量计显示器现已包含在流量计计算机中，该流量计计算机可以基于微处理器与主计算机通信。仪表的功能和使用范围远远超过旧式风机的流量。仪表。目前，用作贸易量度的各种流量计倾向于配备直读式显示装置（如图6所示）。不仅显示测量的总量，还添加补偿器（全功能流量计算机）输出远程信号。

（4）对流体的要求

　　涡轮流量计需要清洁（或基本清洁），单相或低粘度的流体。常用流体的实例包括以下：一般流体，包括水，空气，氧气，高压氢气，牛奶，咖啡等。石油化工产品：汽油，轻油，喷气燃料，轻柴油，石脑油，乙烯，聚乙烯，苯乙烯，液化气，二氧化碳和天然气;化学溶液：氨水，甲醇，盐水等;有机液体：乙醇，乙醚，苯，甲苯，二甲苯，丁二烯，四氯化碳，甲胺，丙烯腈等;无机：甲醛，柠檬酸，苛性钠，二硫化碳等。对于腐蚀性介质，应考虑使用材料选择。不建议含有杂质和研磨介质。

（5）对液体粘度的要求

　　液体涡轮流量计是一种粘度敏感型流量计。当液体的粘度增加时，仪表系数的线性范围变窄，并且下限流量增加。当粘度增加到一定值时，即使没有线性区域。螺旋叶片比直叶片好得多。

　　对于液体，通常使用水校准传感器。精度为0.5时，无论粘度如何，液体均可达到5×10-6mm2 / s以下。当流体粘度高于5×10-6 mm2 / s时，可以使用相当粘度的液体进行校准，而无需进行粘度校正。另外，还可以采取一些措施来补偿粘度的影响。如果您减少使用范围，请增加流量离线值或仪表系数乘以雷诺数校正系数。

　　粘度对仪表系数的影响与传感器结构的类型和参数的大小有关。有多种方式可以表示粘度对仪表系数的影响：仪表系数与雷诺数之间的关系，仪表系数与输出频率之间的关系以及仪表系数与输出频率之间的关系除以在几个粘度下的运动年比率。其中一些材料已准备好生产，但并非所有制造商都有此信息。

（6）对气体密度的要求

　　燃气轮机流量计主要考虑流量密度对仪表系数的影响，密度效应主要集中在低流量区域，如图3所示。 14。密度的增加（即压力的增加）使特性曲线的线性部分向下限流动区域扩展，并且传感器的范围扩大，线性得到改善。如果燃气涡轮流量计在空气中正常压力下校准，则被测介质的工作压力将不同。下限流量计算公式如下：qvmin，qvamin - 压力p和压力，pa（101.325kPa）被测介质空气和空气体积流量的下限值，m3 / h; p， pa-分别是工作压力（绝对压力）和大气压力（101.325 kPa），被测介质的相对密度是无量纲的。

（7）体积流量转换为质量流量

　　涡轮流量计测量实际的体积流量。无论物质平衡还是能量计量，都必须测量介质流量（即标准状态下的体积流量）。这应该通过缩放

式中qv，qvn-分别为工作状态和标准状态下的体积流量，m3 / h;p，T，Z-分别为工作状态下的绝对压力（Pa），热力学温度（K）和气体压缩系数;Pn，Tn，Zn-分别为标准状态下的绝对压力（Pa），热力学温度（K）和气体压缩系数;

（8）不应使用涡轮流量计的地方

　　受污染的流体，如循环冷却水，河水，污水，燃料等;流量急剧变化的地方，如锅炉供水系统，带空气锤的供气系统等;在测量液体时，管道压力不高，流量高。仪器的下游压力较大，可能接近饱和蒸气压力，存在气蚀风险，如液氨不能从罐体高位流出，不应安装排气口;焊机，电机，带触点的继电器在这些位置附近，存在严重的电磁干扰;上下游直管段长度严重不足，如船舱内;自动锅炉给水系统，例如频繁泵送和泵停止，会对叶轮造成影响，并对传感器造成快速损坏;选择腐蚀性或磨蚀性介质时应谨慎，并应与制造商联系。

（9）经济

　　涡轮流量计用于高精度应用有许多经济因素考虑。仪器的购买成本只是成本的一部分，但也应考虑以下支出方面：安装辅助设备费用（如空气净化器，过滤器等）或旁路支管，包括阀门;校准费用，为了保持高精确度，必须经常检查，即使在现场安装在线校准设备也是非常昂贵的;维修和更换涡轮流量计易损件，他需要保持高性能。

（10）选择步骤

1）如上所述确认可用的测量对象。

2）选择类型。根据流体性质的选择，气体和液体使用气体类型和液体类型不能通用。在工作状态下，液体的粘度应超过5mPa.s.应该使用高粘度型（没有国内的定型产品）。酸性腐蚀性液体采用耐酸型（国内没有定型产品）。

　　根据环境条件选择，根据环境温度和湿度，选择合适的仪器，如防爆传感器周围应选择易燃易爆环境。

　　根据管道连接的选择，传感器有两种安装方式，水平和垂直。法兰式，螺纹式和夹式连接可用于水平安装和管道连接。中等口径选择法兰连接，小直径和高压管螺纹连接，夹紧该连接仅适用于中低直径。垂直安装只有螺纹连接。

3）选择规格。根据现场条件，如流量范围，管道直径，流体压力和温度，安装位置以及性能要求，如精度，重复性，显示模式等，请参考制造商选择的型号或手册来选择具体的规格和型号。可能找不到合适的，但选择另一个流量计。

　　由于涡轮流量计种类繁多，尤其是不同制造商的产品质量差异，因此在进行反复调查和比较之前，有必要从制造商和相关标准收集尽可能多的信息。

第6节安装注意事项

　　传感器应安装在易于维护且管道无震动，强电磁干扰和热辐射的地方。液体涡轮流量计的典型安装管道系统如图7所示。图中每个部件的配置可能取决于被测物体的状况，但并非全部都是必需的。涡轮流量计对管道中的流速失真和旋转流的分布敏感。传感器的入口应该是充分发展管道的流动。因此，应根据传感器的上游阻断器类型提供必要的直管段或流量调节器，如表2所示。如果上游堵塞情况不明确，一般建议采用上游直管段。长度不小于20D，下游直管段长度不小于5D。 如果安装空间不符合上述要求，可在扰流器和传感器之间安装流量调节器。 当传感器安装在室外时，应采取措施避免阳光直射并防止下雨。

   涡轮流量计传感器安装图

涡轮流量计所需的最短直管长度

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