液體渦輪流量計(jì)
一、概述
渦輪流量計(jì)（以下簡稱TUF）是葉輪式流量 （流速）計(jì)的主要品種，葉輪式流量計(jì)還有風(fēng)速計(jì)、 水表等。TUF由傳感器和轉(zhuǎn)換顯示儀組成，傳感器采用多葉片的轉(zhuǎn)子感受流體的平均流速，從而推導(dǎo)出流量或總量。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 （或轉(zhuǎn)數(shù)）可用機(jī)械、磁感應(yīng)、光電方式檢出并由讀出裝置進(jìn)行顯示和傳送記錄。據(jù)稱美國早在1886 年即發(fā)布過*個TUF ，1914 年的認(rèn)為TUF 的流量與頻率有關(guān)。 美國的*臺 TUF 是在 1938 年開發(fā)的，它用于飛機(jī)上燃油的流量測量，只是直至二戰(zhàn)后因噴氣發(fā)動機(jī)和液體噴氣燃料急需一種高精度、快速響應(yīng)的流量計(jì)才使它獲得真正的工業(yè)應(yīng)用。如今，它已在石油、化工、科研、國防、計(jì)量各部門中獲得廣泛應(yīng)用。
流量計(jì)中TUF、容積式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)是三類重復(fù)性、度*的產(chǎn)品，而TUF 又具有自己的特點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大和可適應(yīng)高參數(shù)等，是其他兩類流量計(jì)是難以達(dá)到的。
HPLW系列渦輪流量計(jì)是吸取了國內(nèi)外流量儀表*技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、精度高、復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏，安裝維護(hù)使用方便等特點(diǎn)的新一代渦輪流量計(jì)，廣泛用于測量封閉管道中與不銹鋼 1Cr18Ni9Ti、2Cr13 及剛玉Al 2O3 、硬質(zhì)合金不起腐蝕作用，且無纖維、顆粒等雜質(zhì)，工作溫度下運(yùn)動粘度小于 5×10-6m2 /s 的液體，對于運(yùn)動粘度大于5×10-6m2 /s的液體，可對流量計(jì)進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定后使用。若與具有特殊功能的顯示儀表配套，還可以進(jìn)行定量控制、超量報警等，是流量計(jì)量和節(jié)能的理想儀表。
二、工作原理
如圖所示為渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡圖，由圖可見，當(dāng)被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢，即電脈沖信號，經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。
渦輪流量計(jì)的流量方程可分為兩種：實(shí)用流量方程和理論流量方程。
（1）實(shí)用流量方程
q v =f/K 公式1
qm=qvρ 公式2
式中 q v , q……分別為體積流量，m3/s，質(zhì)量流量，kg/s;
f ……流量計(jì)輸出信號的頻率，Hz;
K ……流量計(jì)的儀表系數(shù)，P/m3。
流量計(jì)的系數(shù)與流量 （或管道雷諾數(shù)）的關(guān)系曲線如圖2 所示。由圖可見，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下*，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過流量上*要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的TUF 特性曲線的形狀是相似的，它僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。
傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出，它*不問傳感器內(nèi)部流體機(jī)理，把傳感器作為一個黑匣子，根據(jù)輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號）確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)，它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意，此轉(zhuǎn)換系數(shù)（儀表系數(shù)）是有條件的，其校驗(yàn)條件是參考條件，如果使用時偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。
（2） 理論流量方程
根據(jù)動量矩定理可以列出葉輪的運(yùn)動方程
J = M 1 - M 2 - M 3 - M 4 公式 3
式中 J ： 葉輪的慣性矩；
dw/dt ： 葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度；
M1 ： 流體的驅(qū)動力拒；
M2 ： 粘性阻力矩；
M3 ： 軸承摩擦阻力矩；
M4 ： 磁阻力矩。
當(dāng)葉輪以恒速旋轉(zhuǎn)時，J = 0，則M1 =M2 +M3 +M4。論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得
n = Aqv + B - 公式 4
式中 n： 葉輪轉(zhuǎn)速；
qv： 體積流量；
A ： 與流體物性 （密度、粘度等），葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù) （情片傾角、葉輪直徑、
流道截面積等）有關(guān)的系數(shù)；
B ： 與情片頂隙，流體流速分布有關(guān)的系數(shù)；
C ： 與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。
國內(nèi)外學(xué)者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結(jié)構(gòu)及流體工作條件。至今渦輪儀表特性的水動力學(xué)特性仍舊不很清楚，它與流體物性及流動特性有復(fù)雜的關(guān)系。比如當(dāng)流場有旋渦和非對稱速度分布時水動力學(xué)特性就非常復(fù)雜。不能用理論式推導(dǎo)儀表系數(shù)，儀表系數(shù)仍需由實(shí)流校驗(yàn)確定。但是理論流量方程有巨大的實(shí)用意義，它可用于指導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場使用條件變化時儀表系數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測和估算。
三、產(chǎn)品特點(diǎn)
1. 高度，一般可達(dá)±1%R、±0.5%R，高精度型可達(dá)±0.2%R；
2. 重復(fù)性好，短期重復(fù)性可達(dá)0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重復(fù)性，如經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)可得到*的度；
3. 輸出脈沖頻率信號，適于總量計(jì)量及與計(jì)算機(jī)連接，無零點(diǎn)漂移，抗*力強(qiáng)；
4. 可獲得很高的頻率信號 （3~4kHz），信號分辨力強(qiáng)；
5. 范圍度寬，中大口徑可達(dá)1:20，小口徑為 1:10；
6. 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大；
7. 適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表；
8. 型傳感器類型多，可根據(jù)用戶特殊需要設(shè)計(jì)為各類型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型、混砂型等；
9. 可制成插入型，適用于大口徑測量，壓力損失小，價格低，可不斷流取出，安裝維護(hù)方便。
四、基本參數(shù)與技術(shù)性能
1.技術(shù)性能 表 1
2.測量范圍及工作壓力 表2
五、儀表分類
1．按儀表功能分類，HPLWGY系列渦輪流量計(jì)可分為2 大類，即：
●渦輪流量傳感器/變送器
●智能一體化渦輪流量計(jì)
2．功能說明
●渦輪流量傳感器/變送器
該類渦輪流量產(chǎn)品本身不具備現(xiàn)場顯示功能，僅將流量信號遠(yuǎn)傳輸出。流量信號可分為脈沖信號或電流信號 （4-20mA ）；儀表價格低廉，集成度高，體積小巧，特別適用于與二次顯示儀、PLC、DCS 等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配合使用。
按照不同的輸出信號，該類產(chǎn)品可分為HPLWGY-□N 型和HPLWGY-□A 型
HPLWGY-□N 型傳感器：12～24VDC 供電，三線制脈沖輸出，高電平≥8V，低電平≤0.8V；信號傳輸距離≤1000米；
HPLWGY-□A 型變送器：24VDC 供電，二線制4-20mA 輸出，信號傳輸距離≤1000。
該類渦輪流量產(chǎn)品均分為基本型和防爆型 （ExdIIBT6）兩種。
圖 3 圖 4
基本型傳感器 防爆型傳感器/變送器
●智能一體化渦輪流量計(jì)
采用*的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)研制的渦輪流量傳感器與顯示積算一體化的新型智能儀表，采用雙排液晶現(xiàn)場顯示，具有機(jī)構(gòu)緊湊、讀數(shù)直觀清晰、可靠性高、不受外界電源干擾、抗雷擊、成本低等明顯優(yōu)點(diǎn)。儀表具備儀表系數(shù)三點(diǎn)修正，智能補(bǔ)償儀表系數(shù)非線性，并可進(jìn)行現(xiàn)場修正。高清晰液晶顯示器同時顯示瞬時流量 （4 位有效數(shù)字）及累積流量 （8 位有效數(shù)字，帶清零功能）。所有有效數(shù)據(jù)掉電后保持 10年不丟。該類渦輪流量計(jì)均為防爆產(chǎn)品，防爆等級為：ExdIIBT6。
該類渦輪流量計(jì)按照供電方式、是否具備遠(yuǎn)傳信號輸出可分為HPLWGY-□B 型和 HPLWGY-□C 型。
HPLWGY-□B 型：供電電源采用 3.2V10AH鋰電池 （可連續(xù)運(yùn)行4年以上）； 無信號輸出功能。
HPLWGY-□C 型：供電電源采用 24VDC外供電，輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)兩線制電流信號，并可根據(jù)不同的現(xiàn)場需要，可增加RS485或 HART 通訊。
圖 5
智能一體化渦輪流量計(jì)
六、儀表選型 表 3
注：DN15～DN40常規(guī)為螺紋連接，如希望采用法蘭連接，請?jiān)?“公稱通徑”后加 “（FL）”
例如，選用一臺法蘭連接式防爆型渦輪流量計(jì)測量柴油，管道為DN40、現(xiàn)場需要顯示并遠(yuǎn)傳電流信號，要求精度 0.5 級，304 不銹鋼材質(zhì)，儀表耐壓 16MPa 測量范圍為標(biāo)準(zhǔn)量程，其產(chǎn)品型號愓為：
HPLWGY-40（FL）/C/05/S/S/E/H16
七、安裝尺寸
傳感器的安裝方式根據(jù)規(guī)格不同，采用螺紋或法蘭連接，安裝方式見圖6、圖7、圖8，安裝尺寸 見表4。
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| 圖6 HPLWGY 4～10傳感器結(jié)構(gòu) | 圖7 HPLWGY 15～40傳感器結(jié)構(gòu) |
| 及安裝尺寸示意圖 | 及安裝尺寸示意圖 |
| 圖8 HPLWGY 50～200傳感器結(jié)構(gòu) | 表4 |
| 及安裝尺寸示意圖 |
八、流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)
（1）安裝場所
傳感器應(yīng)安裝在便于維修，管道無振動、無強(qiáng)電磁干擾與熱輻射影響的場所。渦輪流量計(jì)的典型安裝管路系統(tǒng)如圖9 所示。圖中各部分的配置可視被測對象情況而定，并不一定全部都需要。渦輪流量計(jì)對管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流是敏感的，進(jìn)入傳感器應(yīng)為充分發(fā)展管流，因此要根據(jù)傳感器上游側(cè)阻流件類型配備必要的直管段或流動調(diào)整器，如表5 所示。若上游側(cè)阻流件情況不明確，一般推薦上游直管段長度不小于20D，下游直管段長度不小于5D，如安裝空 圖9
間不能滿足上述要求，可在阻流件與傳感器之間安裝流動調(diào)整器。傳感器安裝在室外時，應(yīng)有避直射陽光和防雨淋的措施。
表 5
（2）連接管道的安裝要求
水平安裝的傳感器要求管道不應(yīng)有目測可覺察的傾斜 （一般在5°以內(nèi)），垂直安裝的傳感器管道垂直度偏差亦應(yīng)小于 5°。
需連續(xù)運(yùn)行不能停流的場所，應(yīng)裝旁通管和可靠的截止閥 （見圖9），測量時要確保旁通管無泄漏。
在新鋪設(shè)管道裝傳感器的位置先介入一段短管代替?zhèn)鞲衅?，待?ldquo;掃線”工作完畢確認(rèn)管道內(nèi)清掃干凈后，再正式接入傳感器。由于忽視此項(xiàng)工作，掃線損壞傳感器屢見不鮮。
若流體含雜質(zhì)，則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝過濾器，對于不能停流的，應(yīng)并聯(lián)安裝兩套過濾器輪流清除雜質(zhì)，或選用自動清洗型過濾器。若被測液體含有氣體，則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝消氣器。過濾器和消氣器的排污口和消氣口要通向安全的場所。
若傳感器安裝位置處于管線的低點(diǎn)，為防止流體中雜質(zhì)沉淀滯留，應(yīng)在其后的管線裝排放閥，定期排放沉淀雜質(zhì)。
被測流體若為易氣化的液體，為防止發(fā)生氣穴，影響測量度和使用期限，傳感器的出口端壓力應(yīng)高于公式 5 計(jì)算的zui低壓力Pmin
P min =2△p+1.25P v Pa 公式 5
式中 P min——zui低壓力，Pa；
△p ——傳感器zui大流量時壓力損失，Pa；
pv——被測液體zui高使用溫度時飽和蒸汽壓，Pa。
流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝在傳感器下游，上游側(cè)的截止閥測量時應(yīng)全開，且這些閥門都不得產(chǎn)生振動和向外泄漏。對于可能產(chǎn)生逆向流的流程應(yīng)加止回閥以防止流體反向流動。
傳感器應(yīng)與管道同心，密封墊圈不得凸入管路。液體傳感器不應(yīng)裝在水平管線的zui高點(diǎn)，以免管線內(nèi)聚集的氣體 （如停流時混入空氣）停留在傳感器處，不易排出而影像測量。
傳感器前后管道應(yīng)支撐牢靠，不產(chǎn)生振動。對易凝結(jié)流體要對傳感器及其前后管道采取保溫措施。
九、接線方式
●渦輪流量傳感器/變送器 （HPLWGY-□N 型、HPLWGY -□A 型）
1. 基本型 HPLWGY -□N 型
“24V+”（紅色線）接DC24V 正端；
“電源負(fù)”（白色線）接DC24V 負(fù)端；
“脈沖”（黃色線）接二次表脈沖輸入端。
2.防爆型 HPLWGY -□N 型
圖13
3. HPLWGY -□A 型
圖 14
●智能一體化渦輪流量計(jì) （HPLWGY -□C 型）
圖 15
撥碼開關(guān)功能介紹：
撥到ON，GND 端子與儀表外殼接通，可解決50Hz干擾；
撥到OFF，GND端子與儀表外殼斷開。
注：當(dāng)使用同一電源給多臺流量計(jì)供電時，必須將撥碼開關(guān)撥到OFF。
十、調(diào)試與使用
HPLWGY -□N基本型渦輪流量傳感器
基本型渦輪流量傳感器出廠前已進(jìn)行了標(biāo)定與調(diào)整，無需調(diào)試
傳感器與二次顯示儀表連接：首先核對傳感器的輸出特性 （輸出脈沖的頻率范圍、幅值、脈寬等）與顯示儀表輸入特性是否相配。按照傳感器的儀表系數(shù)設(shè)定顯示儀表的參數(shù)設(shè)置。核對傳感器電源和線制，以及阻抗匹配。還要考慮傳感器的前置放大器防電磁干擾，如在室外還應(yīng)采取防雨淋等措施。
傳輸電纜通常用帶屏蔽和防護(hù)套的雙芯或三芯通信電纜，有效截面積 1.25~2mm 多股銅線。屏蔽線只能一端接地，在顯示儀表端接地。盡可能用一根完整的電纜 （即中間不接續(xù)）。電纜裝入金屬管里，以避免機(jī)械損傷。該金屬管如同時裝入另一電纜，則該電纜輸送zui大功率不能大于本儀表流量信號電纜輸送zui小功率的 10 倍。
傳輸電纜的路徑不應(yīng)與動力電源線平行，也不要敷設(shè)在動力電源線集中的區(qū)域，以避免電磁場的干擾。
HPLWGY -□A 型渦輪流量變送器
根據(jù)客戶的訂貨要求，A 型渦輪流量變送器的流量輸出零點(diǎn)和滿度值在出廠前已經(jīng)調(diào)試好。
在流量計(jì)運(yùn)行后，如果現(xiàn)場需要對流量計(jì)的零點(diǎn)輸出進(jìn)行調(diào)整，按以下方法進(jìn)行：
關(guān)閉流量計(jì)管道的閥門，確認(rèn)管道內(nèi)沒有流量；接通流量計(jì)電源；串入電流表（萬用表的直流電流檔），監(jiān)視流量計(jì)的輸出電流；微調(diào)轉(zhuǎn)換器電路板上的W502 電位器，使輸出電流回到4mA。
在流量計(jì)運(yùn)行后，流量計(jì)的滿度輸出值在現(xiàn)場不能進(jìn)行再調(diào)整；如需調(diào)整，請將流量計(jì)返廠，由廠家根據(jù)您的要求在標(biāo)準(zhǔn)流量裝置上完成。
HPLWGY -□B 型智能現(xiàn)場顯示渦輪流量計(jì)
儀表內(nèi)置參數(shù)設(shè)定：（*工程師操作）
01. 儀表面板按鍵操作說明
進(jìn)入 （退出）參數(shù)設(shè)定菜單：工作狀態(tài)下同時按?鍵和F 鍵：
光標(biāo)位向右移位：參數(shù)設(shè)定狀態(tài)下按?鍵
光標(biāo)位數(shù)值加 1：參數(shù)設(shè)定狀態(tài)下按▲鍵
參數(shù)菜單切換：參數(shù)設(shè)定狀態(tài)下按F 鍵；
累積流量清零：工作狀態(tài)下同時按F 鍵和▲鍵。
02. 內(nèi)部參數(shù)說明
儀表程序共有三個菜單，分三屏顯示，均為儀表測量范圍內(nèi)三點(diǎn)系數(shù)修正，上排為流量點(diǎn)頻率值，下排為該流量點(diǎn)儀表系數(shù)。三個菜單可用F 鍵循環(huán)切換。
各菜單顯示方式及功能如圖 16
圖 16
注：儀表出廠前儀表參數(shù)均惠設(shè)置，無特殊情況無總改動；使用三點(diǎn)儀表系數(shù)進(jìn)行流量傳感器的非線性怱正需要用戶清楚的知道傳感器不同流量點(diǎn) （頻率點(diǎn)）對愓的儀表系數(shù)。
HPLWGY -□C 型智能現(xiàn)場顯示帶4-20mA 輸出渦輪流量計(jì)
01．儀表面板按鍵操作說明
同電池供電現(xiàn)場顯示型渦輪流量計(jì)
02．內(nèi)部參數(shù)說明
儀表程序共有四個菜單，分四屏顯示，前三個菜單為儀表測量范圍內(nèi)三點(diǎn)系數(shù)修正，與電池供電現(xiàn)場顯示型渦輪流量計(jì)*相同；第四個菜單為4-20mA輸出滿度值（即20mA對應(yīng)的流量點(diǎn)）。
四個菜單可用F鍵循環(huán)切換。
1 至 3菜單顯示方式及功能與電池供電現(xiàn)場顯示型渦輪流量計(jì)相同，第四個菜單顯示方式及功能如圖 17
圖 17
十一、使用注意事項(xiàng)
（1）投入運(yùn)行的啟閉順序
未裝旁路管的流量傳感器，先以中等開度開啟流量傳感器上游閥，然后緩慢開啟下游閥。以較小流量運(yùn)行一段時間 （如10 分鐘），然后全開上游閥，再開大下游閥開度，調(diào)節(jié)到所需正常流量。
裝有旁路管的流量傳感器，先全開旁路管閥，以中等開度開啟上游閥，緩慢開啟下游閥，關(guān)小旁路閥開度，使儀表以較小流量運(yùn)行一段時間。然后全開上游閥，全關(guān)旁路閥 （要保證無泄漏），zui后調(diào)節(jié)下游閥開度到所需的流量。
（2）低溫和高溫流體的啟用
低溫流體管道在通流前要排凈管道中的水分，通流時先以很小流量運(yùn)行 15 分鐘，再漸漸升高至正常流量。停流時也要緩慢進(jìn)行，使管道溫度和環(huán)境溫度逐漸接近。高溫流體運(yùn)行與此相類似。
（3）其他注意事項(xiàng)
啟閉閥應(yīng)盡可能平緩，如采用自動控制啟閉，用 “兩段開啟，兩段關(guān)閉”方式，防止流體突然沖擊葉輪甚至發(fā)生水錘現(xiàn)象損壞葉輪。
檢查流量傳感器下游壓力。當(dāng)管道壓力不高，在投入運(yùn)行初期觀察zui大流量下傳感器下游壓力是否大于公式 5 計(jì)算的pmin ，否則應(yīng)采取措施以防止產(chǎn)生氣穴。
流量傳感器的儀表系數(shù)是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)裝置校驗(yàn)后，供給用戶校驗(yàn)單上寫明的，謹(jǐn)防丟失。傳感器長期使用因軸承磨損等原因，儀表系數(shù)會發(fā)生變化，應(yīng)定期進(jìn)行離線或在線校驗(yàn)。若流量超出允許范圍，應(yīng)更換傳感器。
有些測量對象，如輸送成品油管線更換油品或停用時，需定期進(jìn)行掃線清管工作。掃線清管所用流體的流向、流量、壓力和溫度等均應(yīng)符合渦輪流量計(jì)的規(guī)定，否則會引起度降低甚至損壞。
為保證流量計(jì)長期正常工作，要加強(qiáng)儀表的運(yùn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時采取措施排除。監(jiān)測葉輪旋轉(zhuǎn)情況，如聽到異常聲音，用示波器監(jiān)測檢測線圈輸出波形，如有異常波形，應(yīng)及時卸下檢查傳感器內(nèi)部零件。如懷疑有不正?，F(xiàn)象應(yīng)及時檢查。保持過濾器暢通，過濾器可從出入口壓力計(jì)的壓差
來判斷是否堵塞。要定期排放消氣器中從液體逸出的氣體等等。
十二、常見故障及處理方法 表 6
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