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渦輪流量計(以下簡稱TUF)是葉輪式流量(流速)計的主要品種,葉輪式流量計還有風速計、水表等。 在各種流量計中TUF、容積式流量計和科氏質(zhì)量流量計是三類重復(fù)性、度*的產(chǎn)品,而TUF又具有自己的特點,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(同樣口徑可通過的流量大)和可適應(yīng)高參數(shù)(高溫、高壓和低溫)等。至今,這類流量計產(chǎn)品可達技術(shù)參數(shù):口徑4-750mm,壓力達250MPa,溫度為-240-700℃,像這樣的技術(shù)參數(shù)其他兩類流量計則是難以達到的。 TUF廣泛應(yīng)用于以下一些測量對象:石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣、煤氣和低溫流體等。在國外液化石油氣、成品油和輕質(zhì)原油等的轉(zhuǎn)運及集輸站,大型原油輸送管線的首末站都大量采用它進行貿(mào)易結(jié)算。在歐洲和美國TUF是僅次于孔板流量計的天然氣計量儀表,僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺各種尺寸,壓力從0.8MPa到6.5MPa的氣體TUF,他們已成為優(yōu)良的天然氣流量計。 盡管TUF的優(yōu)良計量特性受到人們的青睞,可是給人的印象是由活動部件,使用期短,在選用時不免躊躇,經(jīng)過人們的不懈努力,應(yīng)該說情況大有改觀。 TUF作為zui通用的流量計,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、全系列、多規(guī)格批量生產(chǎn)的規(guī)模。應(yīng)該指出,TUF除前述工業(yè)部門大量應(yīng)用外,在一些特殊部門亦得到廣泛應(yīng)用,如科研實驗、國防科技、計量部門,這些領(lǐng)域的使用恰好避開了其弱點(不適于長期連續(xù)使用),充分發(fā)揮其特點(高精度,重復(fù)性好,可用于高壓、高溫、低溫及微流量等條件)。在這些領(lǐng)域,大多是根據(jù)被測對象的特殊要求進行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計,它們是儀表不進行批量生產(chǎn)。
圖1所示為TUF傳感器結(jié)構(gòu)圖,由圖可見,當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。 TUF的實用流量方程為 qv=f/K (7.1) qm=qvρ (7.2) 式中 qv,qm-分別為體積流量,m3/s, 質(zhì)量流量,kg/s; f-流量計輸出信號的頻率,Hz; K-流量計的儀表系數(shù),P/m3。 流量計的儀表系數(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,他僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。 傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗裝置校驗得出,它*不問傳感器內(nèi)部流體的流動機理,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。
1) 高度,對于液體一般為±0.25%R-±0.5%R,高精度型可達±0.15%R;而介質(zhì)為氣體,一般為±1%R-±1.5%R,特殊型為±0.5%R-±1%R。在所有流量計中,它屬于zui的。 2) 重復(fù)性好,短期重復(fù)性可達0.05%-0.2%,正是由于具有良好的重復(fù)性,如經(jīng)常校準或在線校準可得*的度,在貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計。 3) 輸出脈沖頻率信號,適于總量計量及與計算機連接,無零點漂移,抗干擾能力強。 4) 可獲得很高的頻率信號(3-4kHz),信號分辨力強。 5) 范圍度寬,中大口徑可達40:1-10:1,小口徑為6:1或5:1。 6) 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧,安裝維護方便,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,安裝維護方便。 10) 難以長期保持校準特性,需要定期校驗。對于無潤滑性的液體,液體中含有懸浮物或磨蝕性,造成軸承磨損及卡住等問題,限制了其適用范圍,采用耐磨硬質(zhì)合金軸和軸承后情況有所改進。對于貿(mào)易儲運和高精度測量要求的,配備現(xiàn)場校驗設(shè)備,可定期校準以保持其特性。 11) 一般液體TUF不適用于較高粘度介質(zhì)(高粘度型除外),隨著粘度的增大,流量計測量下線值提高,范圍度縮小,線性度變差。 12) 流體物性(密度、粘度)對儀表特性有較大影響。氣體流量計易受密度影響,而液體流量計對粘度變化反應(yīng)敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關(guān)系密切,在現(xiàn)場溫度、壓力波動是難免的,要根據(jù)它們對度影響的程度采取補償措施,才能保持高的計量精度。 13) 流量計受來流流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流的影響較大,傳感器上下游側(cè)需設(shè)置較長的直管段,如安裝空間有限制,可加裝流動調(diào)整器(整流器)以縮短直管段長度。 14) 不適于脈動流和混相流的測量。 15) 對被測介質(zhì)的清潔度要求較高,限制了其適用領(lǐng)域,雖可安裝過濾器以適應(yīng)臟污介質(zhì),但亦帶來壓損增大、維護量增加等副作用。 16) 小口徑(DN50以下)儀表的流量特性受物性影響嚴重,故小口徑TUF的儀表性能難以提高。
4.1 分類 (1)按傳感器結(jié)構(gòu)分類 1)軸向型(普通型)葉輪軸中心與管道軸線重合,是TUF的主導(dǎo)產(chǎn)品,有全系列產(chǎn)品(DN10-DN600)。 2)切向型 葉輪軸與管道軸線垂直,流體流向葉片平面的沖角約90度,適用于小口徑微流量產(chǎn)品。 3)機械型 葉輪的轉(zhuǎn)動直接或經(jīng)磁耦合帶動機械計數(shù)機構(gòu),只是積算總量,測量精度比電信號檢測的傳感器稍低,其傳感器與顯示裝置組成一體式,受到用戶歡迎。 4)井下型 適用于石油開采井下作業(yè)及采輸用,測量介質(zhì)有泥漿及油氣流等,傳感器體積受限制,需耐高壓、高溫及流體沖擊等。 5)自校正雙渦輪型 可用于天然氣等氣體流量測量,傳感器由主、輔雙葉輪組成,可由二葉輪的轉(zhuǎn)速差自動校正流量特性的變化。 6)廣粘度型 在波特型浮動轉(zhuǎn)子壓力平衡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴大上錐體與下錐體的直徑,增加粘度補償翼及承壓葉片等結(jié)構(gòu)措施,使傳感器適用于高粘度液體,如重油,粘度可達30mm2/s。 4.2 傳感器結(jié)構(gòu) TUF傳感器由表體、導(dǎo)向體(導(dǎo)流器)、葉輪、軸、軸承及信號檢測器組成(見圖1)。 1) 表體 表體是傳感器的主體部件,它起到承受被測流體的壓力,固定安裝檢測部件,連接管道的作用。表體采用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁合金制造。對于大口徑傳感器已可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu),表體外壁裝信號檢測器。 2) 導(dǎo)向體 在傳感器進出口裝有導(dǎo)向體,他對流體起導(dǎo)向整流以及支撐葉輪的作用,通常選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。反推式渦輪流量傳感器的后導(dǎo)流件還要求能產(chǎn)生足夠的反推力,其結(jié)構(gòu)形式很多。前導(dǎo)流器有產(chǎn)品可以抗流體流動的嚴重干擾。 3) 渦輪 亦稱葉輪,是傳感器的檢測元件,它由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種,也可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護罩環(huán)來增加一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率,葉輪由支架中軸承支撐,與表體同軸,其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響,要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計,葉輪的動平衡很重要,直接影響儀表性能和使用壽命。 4) 軸與軸承 它支撐葉輪旋轉(zhuǎn),需有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。它決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的,因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護是很重要的。 5) 信號檢測器 國內(nèi)常用變磁阻式,如圖1上半部分所示。由*磁鋼、導(dǎo)磁棒(鐵芯)、線圈等組成。*磁鋼對葉片有吸引力,產(chǎn)生磁阻力矩,小口徑傳感器在小流量時,磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項,為此將*磁鋼分為大小兩種規(guī)格,小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。輸出信號有效值在10mV以上的可直接配用流量計算機,配上放大器則輸出伏級頻率信號。 傳感器結(jié)構(gòu)類型很多,這里介紹幾種廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品。 1) 止推式渦輪流量傳感器 這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡圖于圖3。其中圖(a)與圖(b)為軸尖止推類,采用平面或球面點接觸,接觸點與傳感器軸線重合,點接觸的優(yōu)點是摩擦力矩很小,可用于較低的下限流量,但是大流量時磨損嚴重。圖(c)為端面面接觸止推型,端頭呈球形,軸承為平面型。此類結(jié)構(gòu)僅用于小口徑(DN≤15mm)傳感器,發(fā)揮其靈敏度高的特點。 2) 反推式渦輪流量傳感器這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。圖4(a)中在輸入端面處的壓力pH降低,產(chǎn)生反推力;圖4(b)是流體經(jīng)前面孔引入產(chǎn)生反推力;圖4(c)表示流體由后反向推。反推式結(jié)構(gòu)在一定流量范圍內(nèi)可使葉輪處于浮游狀態(tài),軸向不存在接觸點,無端面摩擦和磨損,可延長使用期限。 3) 切向式渦輪流量傳感器 圖5所示為用于微流量測量的渦輪流量傳感器。流體由葉輪的切向流過,沖擊其葉片旋轉(zhuǎn)。由于被測流量小,為加大流體對葉輪的沖力,入口處裝有噴嘴,可以更換噴嘴孔徑以調(diào)節(jié)流量范圍。葉輪的轉(zhuǎn)速采用光電法檢測,以避免如磁阻法產(chǎn)生磁阻力矩。 4) 氣體TUF 氣體的密度遠小于液體密度,流體推動力矩小,氣體流量傳感器與液體流量傳感器在結(jié)構(gòu)參數(shù)上有顯著差別。要加大輪轂半徑,縮小流道截面積,使氣流流速加大且集中經(jīng)過葉片邊緣。因氣流流速很高,要用較小沖角的葉片。一般為降低摩擦阻力矩,采用滾動軸承,并對軸承系統(tǒng)注入潤滑劑。它能沖洗掉軸承表面的微粒,延長軸承壽命。多孔狀的儲油室能在換加潤滑劑期間向軸承持續(xù)供油。典型的燃氣TUF如圖6所示。圖6(a)所示為氣體TUF的剖面圖。圖6(b)所示為傳感器顯示裝置上附加氣體體積補償器,補償器把傳感器測量的實際體積流量經(jīng)壓力、溫度換算為標準狀態(tài)下的體積流量。另外還有報警、自診斷、遠傳信號等多種功能,他是一臺功能齊全的流量計算機。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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