摘要：介紹了一種國產(chǎn)寬量程氣體渦輪流量計(jì)的工作原理及渦輪的設(shè)計(jì)思想，闡述了零阻力信號檢測法和儀表系數(shù)的非線性修正法，并給出了室內(nèi)檢定和工業(yè)現(xiàn)場的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。檢定結(jié)果表明，該流量計(jì)與進(jìn)設(shè)備的計(jì)量結(jié)果基本一致。目前這種國產(chǎn)流量計(jì)已開始投入實(shí)際應(yīng)用。
一、流量計(jì)概述
近年來，隨著各行業(yè)對成本核算、貿(mào)易往來、節(jié)約能源、自動控制等工作的重視，用戶對流量測量的需求日益增多，同時(shí)對流量計(jì)的測量精度、量程比、適用介質(zhì)等技術(shù)指標(biāo)提出了越來越高的要求。由于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)遍布于整個城市，考慮到供氣安全、管道的沿程壓力損失等問題，管道中的介質(zhì)（液化天然氣、煤制氣）一般壓力較低、流速不高、因此其流量測量有固有的特殊性。另外，因?yàn)橛脷飧叻搴偷凸葧r(shí)的管道內(nèi)流量差距非常大，所以需要一種量程寬、測量下限低的流量測量儀表。目前，國內(nèi)外寬量程氣體流量計(jì)主要有以下幾種。
（1）腰輪式（羅茨式）氣體流量計(jì)。這是一種體積式測量儀表。具有測量下限低、量程寬、精度高、與介質(zhì)物性參數(shù)關(guān)系不緊密等優(yōu)點(diǎn)。但對氣體的潔凈程度要求較高，使用中需要加裝過濾裝置，并需要經(jīng)常清洗。
（2）熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。該流量計(jì)是利用氣體傳熱性能與其質(zhì)量流量的關(guān)系測量流量，可測量很低的流速，具有較寬的測量范圍，并具有一定的抗雜質(zhì)能力，是近年來發(fā)展很快的一種流量計(jì)。但由于其工作原理的局限性，易受氣體成分變化的影響，因此只適用于成分比較穩(wěn)定的氣體流量測量。
（3）渦輪氣體流量計(jì).該流量計(jì)是利用葉輪在氣體推動下的轉(zhuǎn)動來測量氣體的流量，具有一定的抗雜質(zhì)能力，并且不受氣體成分變化的影響。該種流量計(jì)在國外使用較多，而國產(chǎn)渦輪流量計(jì)由于其流量下限較高，因此很少在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)上使用。
目前，國外生產(chǎn)的渦輪流量計(jì)有，IGM國際氣體測控公司的滿管式氣體渦輪流量計(jì)，精度在Qmin～0.2Qmax時(shí)為±2%（用戶要求時(shí)可達(dá)±1%），在0.2Qmax～Qmax時(shí)為±1%（用戶要求時(shí)可達(dá)±0.5%），流速測量范圍為0.3～15m/s；EFL電氣流量儀表有限公司的插人式氣體渦輪流量計(jì)精度為±2%，流速測量范圍為0.3～20m/s。
國內(nèi)生產(chǎn)的氣體渦輪流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)為，滿管式渦輪流量計(jì)的流速測量范圍為4～26m/s，精度為±1.5%；插人式渦輪流量計(jì)的流速測量范圍為3～15m/s，精度為±2.5%。
與國外同類產(chǎn)品相比，國內(nèi)產(chǎn)品在流速測量的下限這一指標(biāo)上具有較大的差距，而這一指標(biāo)在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的流量測量中極為重要。
為提高渦輪流量計(jì)的量程比和擴(kuò)展其測量下限，研制出了一種寬程、程低流速氣體的渦輪流量計(jì)。這種渦輪流量計(jì)的精度在Qmin～0.2Qmax時(shí)為±2%，在0.2Qmax～Qmax時(shí)為±1.5%，流速測量范圍為0.3～10m/s。這種流量計(jì)為插入式結(jié)構(gòu)，適用于φ100～200口徑的管道，并具有維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。該流量計(jì)于1998年通過了天津市技術(shù)監(jiān)督部門的性能測試，已開始應(yīng)用于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的流量測量。
二、渦輪流量計(jì)工作原理
渦輪流量計(jì)的工作原理示意圖如圖1所示。在管道中心安放一個渦輪，流體通過時(shí)沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速正相關(guān)。 由檢測探頭檢測出葉片轉(zhuǎn)動頻率，輸入流量顯示積算儀得到瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。

為適應(yīng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的流量測量要求，應(yīng)盡量拓寬流量測量的下限，即盡量降低渦輪流量計(jì)的始動流量qmin。建立了一種渦輪流量計(jì)的理論模型。在流體處于定常流狀態(tài)時(shí)，渦輪在流體的驅(qū)動力矩Tr作用下轉(zhuǎn)動，阻力矩包括軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力矩Trm、渦輪與流體之間產(chǎn)生的流體阻力矩Trf，以及檢測探頭對渦輪產(chǎn)生的電磁阻力矩Trt，并應(yīng)有以下平衡關(guān)系：
Tr=Trm+Trf+Trt     （1）
由流體力學(xué)可知，當(dāng)流體的流動處于湍流狀態(tài)時(shí)，流體產(chǎn)生的摩擦力正比于流速的平方；當(dāng)流動處于層流狀態(tài)時(shí)，其摩擦力正比于流速，所以摩擦力均正相關(guān)于流速。當(dāng)渦輪剛啟動而處于始動流量附近時(shí)，顯然Trf趨近于零。故在分析始動流量時(shí)可不考慮流體摩擦產(chǎn)生的阻力，而僅考慮機(jī)械摩擦和電磁阻力即可。
三、渦輪的設(shè)計(jì)與研究
渦輪流量計(jì)的流量計(jì)算可采用式（2）：

式中
qv-瞬時(shí)流量，m3/s；
F-渦輪葉片產(chǎn)生的信號頻率，Hz；
K-儀表系數(shù)，1/m3。
在渦輪的設(shè)計(jì)方法中，首先要考慮的是盡量保證儀表系數(shù)的線性度，然后才能用式（2）進(jìn)行流量計(jì)算。為了滿足線性度的要求，葉片一般設(shè)計(jì)成按圖1所示的螺旋狀葉片。在渦輪的研究中，對于流量計(jì)的信息處理采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以對儀表系數(shù)的非線性進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。這就給葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了更廣闊的空間，即設(shè)計(jì)時(shí)可以完全不考慮線性問題，而只考慮能產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動力矩和盡量小的摩擦力矩即可。
在經(jīng)過系列研究和實(shí)驗(yàn)之后，渦輪***終采用了由圖2所示的結(jié)構(gòu)。葉片類似于風(fēng)扇葉片的形狀，傾角45°，由0.3mm厚的不銹鋼薄板整體 沖壓而成，葉片數(shù)量為20片。這種形狀的葉片雖然非線性較大，但重量相對較輕，這對于降低始動流量很有好處，而其非線性則可通過單片機(jī)進(jìn)行曲線擬合的方法予以修正。

由圖2可以看出，這種渦輪沒有采用前后兩個軸承的結(jié)構(gòu)，而是采用 了單軸承式結(jié)構(gòu)。軸承采用了進(jìn)口的微型滾動軸承。軸為固定不動，單軸承安裝在軸的中間，由軸承套固定葉片。這種結(jié)構(gòu)不僅減少了軸承引入的機(jī)械摩擦，而且還克服了因前后軸承不同心而產(chǎn)生的阻力。另外，這種結(jié)構(gòu)也有利于軸承的防塵，密閉性更好。
四、檢測探頭的研究
一般渦輪流量計(jì)采用內(nèi)部嵌有磁鋼的線圈作為檢測探頭。葉片轉(zhuǎn)動時(shí)切割磁力線產(chǎn)生感生電勢，該電勢藕合到線圈中，在線圈兩端可產(chǎn)生相應(yīng)的周期性變化的感應(yīng)電勢。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速很低時(shí)，可以觀察到它的轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定。當(dāng)葉片運(yùn)動到磁鋼附近時(shí)，會出現(xiàn)一個減速甚至停頓的過程，這是由磁鋼對葉片的吸引力即電磁阻力造成的，因而在研究渦輪的轉(zhuǎn)速特性時(shí)，電磁阻力是一個必須予以重視的問題。
檢測探頭內(nèi)部嵌有一個軟磁性材料的線圈，其工作原理是以電渦流為基礎(chǔ)。在線圈中通以高頻激勵信號，周圍產(chǎn)生一個高頻交變磁場。當(dāng)葉片處于這一磁場中時(shí)，葉片中就會產(chǎn)生電渦流。之后，該電渦流會產(chǎn)生一個阻礙高頻交變磁場叭變化的磁場，進(jìn)而作用在線圈上，對高頻激勵信號的幅度與頻率予以調(diào)制。經(jīng)信號處理電路，可反映葉片的頻率變化。
該檢測過程可等效為，將線圈和葉片看作為一個電感L的原邊和次邊，L由線圈的自感L1、葉片的自感L2以及它們的互感M構(gòu)成。當(dāng)葉片離開線圈時(shí)，L中僅存在L1；當(dāng)葉片處于線圈位置時(shí)，由于互感M的作用，感抗L是變化的，而L作為LC振蕩電路中的電感元件，它的變化將改變振蕩電路信號的幅度與頻率。
采用這一電磁激勵結(jié)構(gòu)，由于不產(chǎn)生電磁引力，因此不存在電磁阻力，即
Tre=0
五、非線性修正的研究
如前所述，為了降低渦輪的始動流量qtmin，并降低儀表系數(shù)K較大的非線性，如何對非線性進(jìn)行修正就是一個需要解決的重要問題。
根據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程對速度式流量計(jì)檢定點(diǎn)的規(guī)，檢定點(diǎn)包括7個點(diǎn)，即qmin、0.07 qmax、0.15 qmax、0.25qmax、0.4 qmax、0.7qmax和qmax。檢定點(diǎn)的數(shù)量是有限的7個，而流量計(jì)在使用中，流量測量在qmin～qmax范圍內(nèi)為任意的。這樣，流量計(jì)的檢定點(diǎn)和 非檢定點(diǎn)就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過7個。圖3給出了儀表系數(shù)K與信號頻率F（或流量q）的典型非線性趨勢。

顯然不能再沿用平均儀表系數(shù)計(jì)算流量的方法，而應(yīng)該用式（3）來計(jì)算在對應(yīng)頻率信號F時(shí)的儀表系數(shù)K，再用式（2）計(jì)算流量。
K=f（F）   （3）
該擬合公式的具體形式可用兩種方法求取，即折線法和***小二乘方法。
折線法是指將每兩個相鄰檢定點(diǎn)用直線相連接。顯然，在檢定點(diǎn)上，其擬合誤差為零，然而在非檢定點(diǎn)上具有較大誤差。表1給出了一組典型的折線法非線性修正擬合數(shù)據(jù)。
擬合誤差的計(jì)算公式為

從表1可見，在非檢定點(diǎn)處的***大擬合誤,差達(dá)到±1.65%。
***小二乘方法得到的是一條連續(xù)曲線，其原則是使各檢定點(diǎn)到該曲線的誤差平方和為***小。由于檢定點(diǎn)上得到的數(shù)據(jù)并非標(biāo)準(zhǔn)值，其本身也具有一定的誤差，而且實(shí)際使用的渦輪流量計(jì)K-F特性曲線應(yīng)該是連續(xù)的、平滑的，因此盡管在檢定點(diǎn)處的擬合誤差不一定等于零，但用***小二乘方法得到的連續(xù)曲線應(yīng)該能更好地反映K-F關(guān)系的本質(zhì)。表2給出了用***小二乘方法得出的一組非線性修正擬合誤差數(shù)據(jù)。
由表2可見，***大擬合誤差僅為±0.15%，遠(yuǎn)優(yōu)于折現(xiàn)法的擬合誤差結(jié)果。

六、渦輪流量計(jì)的應(yīng)用
儀表樣機(jī)于1998年在天然氣和煤制氣調(diào)壓站進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行。在試驗(yàn)管道上，均串聯(lián)美國德萊塞儀表公司的羅茨表氣體流量計(jì)（其精度為±1%）作為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行了比對。表3、表4分別給出了天然氣和煤制氣流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，寬量程氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果與價(jià)格昂貴的進(jìn)口羅茨式儀表的計(jì)量結(jié)果基本一致，該流量計(jì)可以用于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的流量計(jì)量。