摘要：介紹了一種國產寬量程氣體渦輪流量計的工作原理及渦輪的設計思想，闡述了零阻力信號檢測法和儀表系數的非線性修正法，并給出了室內檢定和工業(yè)現場的試驗數據。檢定結果表明，該流量計與進設備的計量結果基本一致。目前這種國產流量計已開始投入實際應用。
一、流量計概述
近年來，隨著各行業(yè)對成本核算、貿易往來、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，同時對流量計的測量精度、量程比、適用介質等技術指標提出了越來越高的要求。由于城市燃氣管網遍布于整個城市，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（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，因為用氣高峰和低谷時的管道內流量差距非常大，所以需要一種量程寬、測量下限低的流量測量儀表。目前，國內外寬量程氣體流量計主要有以下幾種。
（1）腰輪式（羅茨式）氣體流量計。這是一種體積式測量儀表。具有測量下限低、量程寬、精度高、與介質物性參數關系不緊密等優(yōu)點。但對氣體的潔凈程度要求較高，使用中需要加裝過濾裝置，并需要經常清洗。
（2）熱式氣體質量流量計。該流量計是利用氣體傳熱性能與其質量流量的關系測量流量，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能力，是近年來發(fā)展很快的一種流量計。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.該流量計是利用葉輪在氣體推動下的轉動來測量氣體的流量，具有一定的抗雜質能力，并且不受氣體成分變化的影響。該種流量計在國外使用較多，而國產渦輪流量計由于其流量下限較高，因此很少在城市燃氣管網上使用。
目前，國外生產的渦輪流量計有，IGM國際氣體測控公司的滿管式氣體渦輪流量計，精度在Qmin～0.2Qmax時為±2%（用戶要求時可達±1%），在0.2Qmax～Qmax時為±1%（用戶要求時可達±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精度為±2%，流速測量范圍為0.3～20m/s。
國內生產的氣體渦輪流量計技術指標為，滿管式渦輪流量計的流速測量范圍為4～26m/s，精度為±1.5%；插人式渦輪流量計的流速測量范圍為3～15m/s，精度為±2.5%。
與國外同類產品相比，國內產品在流速測量的下限這一指標上具有較大的差距，而這一指標在城市燃氣管網的流量測量中極為重要。
為提高渦輪流量計的量程比和擴展其測量下限，研制出了一種寬程、程低流速氣體的渦輪流量計。這種渦輪流量計的精度在Qmin～0.2Qmax時為±2%，在0.2Qmax～Qmax時為±1.5%，流速測量范圍為0.3～10m/s。這種流量計為插入式結構，適用于φ100～200口徑的管道，并具有維護方便的優(yōu)點。該流量計于1998年通過了天津市技術監(jiān)督部門的性能測試，已開始應用于城市燃氣管網的流量測量。
二、渦輪流量計工作原理
渦輪流量計的工作原理示意圖如圖1所示。在管道中心安放一個渦輪，流體通過時沖擊渦輪葉片，對渦輪產生驅動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產生旋轉，其旋轉角速度與流體流速正相關。 由檢測探頭檢測出葉片轉動頻率，輸入流量顯示積算儀得到瞬時流量和累計流量。

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

式中
qv-瞬時流量，m3/s；
F-渦輪葉片產生的信號頻率，Hz；
K-儀表系數，1/m3。
在渦輪的設計方法中，首先要考慮的是盡量保證儀表系數的線性度，然后才能用式（2）進行流量計算。為了滿足線性度的要求，葉片一般設計成按圖1所示的螺旋狀葉片。在渦輪的研究中，對于流量計的信息處理采用了計算機技術，可以對儀表系數的非線性進行實時修正。這就給葉片結構的設計提供了更廣闊的空間，即設計時可以完全不考慮線性問題，而只考慮能產生足夠大的驅動力矩和盡量小的摩擦力矩即可。
在經過系列研究和實驗之后，渦輪***終采用了由圖2所示的結構。葉片類似于風扇葉片的形狀，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進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構，而是采用 了單軸承式結構。軸承采用了進口的微型滾動軸承。軸為固定不動，單軸承安裝在軸的中間，由軸承套固定葉片。這種結構不僅減少了軸承引入的機械摩擦，而且還克服了因前后軸承不同心而產生的阻力。另外，這種結構也有利于軸承的防塵，密閉性更好。
四、檢測探頭的研究
一般渦輪流量計采用內部嵌有磁鋼的線圈作為檢測探頭。葉片轉動時切割磁力線產生感生電勢，該電勢藕合到線圈中，在線圈兩端可產生相應的周期性變化的感應電勢。當渦輪轉速很低時，可以觀察到它的轉動不穩(wěn)定。當葉片運動到磁鋼附近時，會出現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速特性時，電磁阻力是一個必須予以重視的問題。
檢測探頭內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。在線圈中通以高頻激勵信號，周圍產生一個高頻交變磁場。當葉片處于這一磁場中時，葉片中就會產生電渦流。之后，該電渦流會產生一個阻礙高頻交變磁場叭變化的磁場，進而作用在線圈上，對高頻激勵信號的幅度與頻率予以調制。經信號處理電路，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構成。當葉片離開線圈時，L中僅存在L1；當葉片處于線圈位置時，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構，由于不產生電磁引力，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K較大的非線性，如何對非線性進行修正就是一個需要解決的重要問題。
根據計量檢定規(guī)程對速度式流量計檢定點的規(guī)，檢定點包括7個點，即qmin、0.07 qmax、0.15 qmax、0.25qmax、0.4 qmax、0.7qmax和qmax。檢定點的數量是有限的7個，而流量計在使用中，流量測量在qmin～qmax范圍內為任意的。這樣，流量計的檢定點和 非檢定點就會遠遠超過7個。圖3給出了儀表系數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計算流量的方法，而應該用式（3）來計算在對應頻率信號F時的儀表系數K，再用式（2）計算流量。
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用直線相連接。顯然，在檢定點上，其擬合誤差為零，然而在非檢定點上具有較大誤差。表1給出了一組典型的折線法非線性修正擬合數據。
擬合誤差的計算公式為

從表1可見，在非檢定點處的***大擬合誤,差達到±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到該曲線的誤差平方和為***小。由于檢定點上得到的數據并非標準值，其本身也具有一定的誤差，而且實際使用的渦輪流量計K-F特性曲線應該是連續(xù)的、平滑的，因此盡管在檢定點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)曲線應該能更好地反映K-F關系的本質。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據。
由表2可見，***大擬合誤差僅為±0.15%，遠優(yōu)于折現法的擬合誤差結果。

六、渦輪流量計的應用
儀表樣機于1998年在天然氣和煤制氣調壓站進行了試驗運行。在試驗管道上，均串聯(lián)美國德萊塞儀表公司的羅茨表氣體流量計（其精度為±1%）作為標準表進行了比對。表3、表4分別給出了天然氣和煤制氣流量計試驗數據。

從試驗結果可以看出，寬量程氣體渦輪流量計的計量結果與價格昂貴的進口羅茨式儀表的計量結果基本一致，該流量計可以用于城市燃氣管網的流量計量。