渦(wo)輪流量計 的(de)理論與實踐(jiàn)

一 前言

    傳統(tǒng) 渦輪流量計(jì)隻能用來測(ce)量低粘度的(de)液體流量，如(rú)水、汽油等。渦(wo)輪流量計制(zhi)造廠一般也(ye)規定被測液(ye)體粘度不得(dé)大于5MPaS，否則将(jiāng)産生嚴重誤(wu)差。如何用傳(chuán)統渦輪流量(liang)傳感器準确(què)測量液體粘(zhān)度大于5MPaS的液(ye)體流量，如原(yuán)油、機械油等(děng)的流量，則會(huì)引起我們廣(guang)泛的重視。

    本(běn)研究采用LW型(xíng)傳統渦輪流(liú)量傳感器作(zuò)爲研究對象(xiang)，對其進行了(le)廣泛的理論(lun)和實驗研究(jiū)，得到了這種(zhong)流量傳感器(qì)的介質粘度(dù)補償模型，與(yu)此同時，我們(men)還研制了具(ju)有粘度自動(dong)補償功能的(de)渦輪流量計(jì)積算顯示儀(yí)表，這樣傳統(tong)渦輪流量傳(chuan)感器，運用相(xiàng)應粘度補償(chang)模型，并配以(yi)本積算顯示(shì)儀表，就可以(yǐ)實現對粘性(xing)液體的流量(liang)測量。

                                二 介質(zhi)粘性影響試(shi)驗

Hochreiter(1) 和 Shafer(2)曾給出(chu)了渦輪流量(liàng)傳感介質粘(zhan)性影響的物(wù)理模型。
 （1）
式中(zhōng) 
f---------傳感器發出(chu)的頻率；
Q-------- 瞬時(shi)流量；
v---------被測液(ye)體的運動粘(zhan)度。
式（1）即稱爲(wèi)“渦輪流量計(jì)的通用粘度(du)曲線”。其中，Φ爲(wei)一多項式；Φ的(de)形式必須通(tōng)過實驗确定(dìng)。
爲此，我們首(shǒu)先進行了介(jiè)質粘性影響(xiang)的試驗，試驗(yan)裝置如圖1所(suǒ)示。試驗介質(zhi)粘度變化範(fan)圍爲1～95.6MPaS；試驗渦(wō)輪流量傳感(gǎn)器的型号爲(wei)LW—25型。
 （2）
圖2給出了(le)試驗結果。圖(tu)中K爲實際儀(yi)表常數 
E爲相(xiàng)同誤差，定義(yi)爲
 （3）
   由試驗結(jié)果知。當粘度(dù)達到8.91mm2/s及更大(da)時，傳感器幾(jǐ)乎失去線性(xing)範圍，從圖中(zhōng)還可以看到(dao)，在較小流量(liàng)下，傳感器儀(yí)表常數随粘(zhan)度變化較大(da)；而且，粘度越(yuè)大，儀表常數(shu)越小，而在較(jiào)大流量下，粘(zhan)度影響就小(xiǎo)得多。從這個(ge)試驗結果說(shuō)明，小流量時(shi)，介質粘性起(qi)着重要的作(zuò)用，而在大流(liú)量下，粘度的(de)作用就顯得(de)不重要了。

                           三(san) 正交多項式(shi)粘度補償模(mó)型

由渦輪流(liú)量計的通用(yong)粘度曲線模(mó)型知，儀表常(cháng)數僅取次于(yú) f/v, 即
因此，我們(men)将試驗數據(ju)在單對數坐(zuò)标紙上，以f/v作(zuò)爲橫坐标，重(zhòng)新作圖，如圖(tu)3所示。結果發(fa)現，原來分散(sàn)的幾條粘度(du)曲線合成一(yi)條曲線，這就(jiu)是通用粘度(du)曲線。

我們采(cai)用任意步長(zhang)的正交曲線(xiàn)拟合方法，将(jiang)試驗數據重(zhòng)新按f/L方式整(zhěng)理，然後進行(háng)正交多項式(shi)拟合
式中 公(gong)式 均爲系數(shu)，計算方法參(can)閱文獻（5）
經計(jì)算表明，對圖(tu)3所示通用粘(zhan)度曲線可以(yi)進行分段拟(ni)合，經分段正(zheng)交曲線拟合(hé)的曲線如圖(tú)4、圖5所示。由圖(tu)可見，當f/L>30 (約Re>5000 )時(shi)，Ф曲線接近水(shui)平直線，即這(zhe)時儀表數爲(wei) “常數”。圖4、圖5曲(qu)線的公式表(biǎo)達爲
以上就(jiù)是試驗渦輪(lún)流量計的粘(zhan)度補償模型(xíng)。式中 δ 反映了(le)模型計算的(de)儀表常數偏(pian)離實際儀表(biao)常數的相對(duì)誤差。模型中(zhong)，當f/L<30時，模型計(jì)算的儀表常(cháng)數偏離實際(ji)值zui大值爲2.03%，故(gu)該段曲線的(de)拟合精度爲(wèi)±2.5%，而當f/L≥30時，模型(xíng)計算值偏離(li)實際值zui大值(zhi)爲0.96%，故若儀表(biǎo)在此區間工(gong)作，其精度可(kě)達±1%。
                               四 在線粘(zhān)度補償

    爲了(le)能使渦輪流(liu)量計實現在(zài)線自動粘度(dù)補償測量，我(wǒ)們同時還研(yán)制了粘度補(bu)償式渦輪流(liu)量計流量計(jì)算顯示儀表(biao)(以下簡稱儀(yi)表)儀表在實(shi)時測量前，隻(zhī)要輸入流體(ti)的粘度v（單位(wèi)爲mm2/S）即可進入(rù)測量狀态。模(mó)型中的系數(shù)bj已固化在儀(yí)表中，儀表是(shi)一台以單片(piàn)微機8031爲核心(xīn)的流量積算(suàn)顯示儀表。儀(yi)表的工作原(yuán)理框圖如圖(tu)6所示。

儀表主(zhǔ)要技術指标(biao)如下；
（1） 适用傳(chuan)感口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘度(dù)補償範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補(bǔ)償精度 ±1%。 ±2.5% （含傳(chuán)感器誤差）
（4） 瞬(shun)時流量顯示(shi) 6 位十進制數(shu) （m3/h ）
（5） 累積流量顯(xian)示 8 位十進整(zheng)數， 7 位十進小(xiǎo)數（m3）
（6） 模拟輸出(chu) 4～ 20 （mA）
   爲考核儀表(biǎo)的環境适應(yīng)能力，我們轉(zhuan)對儀表 中的(de)微處理器震(zhèn)蕩頻率進行(hang)測試，内容包(bāo)括；（1）芯片電源(yuan)電壓波動對(dui)頻率的影響(xiang)；（2）環境溫度變(bian)化對頻率的(de)影響；（3）時間對(dui)頻率的影響(xiǎng)，測試時，将8031芯(xin)片及6MHz晶振等(deng)單元電路置(zhì)于超級恒溫(wēn)水浴中，外接(jiē)一穩壓電源(yuán)，數字電壓表(biǎo)，頻率計進行(hang)測試，測試結(jié)果表明，電壓(ya)漂移影響zui小(xiao)。溫度影響zui大(da)。取置信度爲(wèi)99.0%。三者的相對(duì)極限誤差分(fèn)别爲 δv=1.30×10-6% （電壓波(bō)動爲5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測(cè)試時間爲1小(xiǎo)時）；δ=1.59×10-5%（溫度波動(dong)爲20～45℃），
   儀表每隔(gé)2秒對來自傳(chuán)感器的電脈(mò)沖進行處理(li)。即按數學模(mo)型編程運算(suan)，取四字級浮(fú)點運算，經測(ce)試，運算誤差(cha)不大于5×10-5%。
   前置(zhi)處理電路在(zai)正常輸入信(xìn)号頻率範圍(wéi)内，不會增加(jia)總體測量誤(wù)差，因此，即使(shǐ)在zui壞工作條(tiao)件下，zui大相對(dui)誤差由以上(shàng)三項誤差及(jí)軟件運算誤(wu)差δc合成而得(dé)，即

由此可見(jiàn)，所研制的粘(zhān)度補償式渦(wo)輪流量計 流(liu)量計算顯示(shì)儀表的整體(ti)精度優于10-6。

                               五(wu) 渦輪流量計(ji)的應用

    早在(zai)60年代，國外就(jiù)将渦輪流量(liang)計用于石油(you)工業領域中(zhong)，對原油及其(qi)成品油進行(hang)測量，例如英(yīng)國北海油田(tián)就是應用渦(wo)輪流量計計(jì)量原油和水(shui)的流量，一般(bān)而言，适用于(yu)原油外輸計(jì)量的流量計(jì)，也僅爲渦輪(lun)流量計（或容(rong)積式流量計(ji)），美國石油學(xué)會石油計量(liang)标準AP12534爲此制(zhi)定了“用渦輪(lun)流量計計量(liang)液态烴”的計(ji)量标準。渦輪(lún)流量計之所(suo)以能夠廣泛(fan)地應用于石(shí)油工業領域(yu)。是因爲渦輪(lun)流量計比其(qi)他形式的流(liu)量計，如容積(jī)式流量計更(gèng)突出的優點(diǎn)，如渦輪流量(liàng)計具有流量(liang)範圍寬、結構(gou)緊湊、簡單、使(shǐ)用壽命長等(děng)優點，更重要(yao)的是，渦輪流(liu)量計能夠經(jīng)受嚴重的脈(mo)動而引起的(de)超出流量上(shàng)限的流量，以(yi)及流量計不(bú)會因爲液體(ti)中所夾帶的(de)固體物從而(er)導緻管路系(xi)統的阻塞，一(yi)般小顆粒物(wù)質經過流量(liang)計時也不會(huì)引起損壞。但(dàn)是，容積式流(liu)量計就不能(néng)容忍液體中(zhōng)夾帶固體顆(kē)粒，這不僅會(huì)使流量計發(fā)生故障，更嚴(yán)重的是，一旦(dan)流量計卡死(sǐ)不轉，将導緻(zhì)液體的阻塞(sai)而引起系統(tǒng)過壓的現象(xiang)，因此我們相(xiàng)信，渦輪流量(liàng)計将會在石(shí)油工業領域(yù)，以及其他領(ling)域得到越來(lái)越廣泛的應(ying)用。

    随着渦輪(lún)流量計在測(ce)量粘性介質(zhi)的流量方而(ér)得到越來越(yuè)廣泛的應用(yòng)，國内外對“渦(wo)輪流量計的(de)粘性介質測(ce)量”方面的研(yán)究也就越來(lai)越将體現出(chu)其重要的價(jià)值和現實意(yì)義。