涡轮流量计工作原理

    涡轮流量计（简称 TUF ）是叶轮式流量(流速计)的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。涡轮流量计 TUF 由传感器和转换显示仪组成，传感器采用多叶片的转子感受流体的平均流速，从而推导出流量或总量。转子的转速（或转数）可用机械、磁感应、光电方式检出并由读出装置进行显示和传送记录。据称美国早在 1886 年即发布过第一个涡轮流量计 TUF 专利， 1914 年的专利认为涡轮流量计 TUF 的流量与频率有关。美国的第一台 TUF 是在 1938 年开发的，它用于飞机上燃油的流量测量，只是直至二战后因喷气发动机和液体喷气燃料急需一种高精度、快速响应的流量计才使它获得真正的工业应用。如今，它已在石油、化工、科研、国防、计量各部门中获得广泛应用。

    流量计中涡轮流量计 TUF 、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品，而涡轮流量计 TUF 又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大（同样口径可通过的流量大）和可适应高参数（高温、高压和低温）等。至今，流量计产品可达技术参数：口径 4 一 750 mm ，压力达 250MPa ，温度为 -240 一 700 ℃ ，像这样的技术参数其他两类流量计是难以达到的。

    TUF 在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。在欧洲和美国涡轮流量计 TUF 是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了 2600 多台各种尺寸，压力从 0 . 8MPa 到 6 . 5MPa 的气体涡轮流量计 TUF ，它们已成为优良的天然气流量计。

    尽管 TUF 的优良计量特性受到人们的青睐，可是给人的印象是有活动部件，使用期短，在选用时不免踌躇，经过人们的不懈努力，应该说情况大有改观。由于采用了特殊的耐磨轴承，传感器不仅可用于清洁介质，还可适用于微粒介质。国内某厂产品的平均无故障工作时间（ MTBF ）达到 2 万 h ，在输油（成品油）管线中定的指标为 8000h ，亦即基本上可以连续工作一年，与仪表大修期一致起来。由于传感器的结构较为简单，失效后的可维修性较好，如此用户就放心了。据荷兰产品资料介绍，曾经对 240 台使用 8 ~15 年的天然气 TUF 进行周期检定，发现仪表的精确度的偏移仍在规定范围内。

    TUF 作为最通用的流量计，其产品已发展为多品种、全系列、多规格批量生产的规模。应该指出， TUF 除前述工业部门大量应用外，在一些特殊部门亦得到广泛应用，如科研实验、国防科技、计量部门，这些领域的使用恰好避开了其弱点（不适于长期连续使用），充分发挥其特点（高精度，重复性好，可用于高压、高温、低温及微流量等条件）。在这些领域，大多是根据被测对象的特殊要求进行专门的结构设计，它们是专用仪表不进行批量生产。

    20 世纪 90 年代中期世界范围内， TUF 销售台数和金额在流量仪表总量中各占 9 ％左右，年销售 19 万台左右；在我国 90 年代初销售台数占流量仪表总量（不包括家用燃气表和水表及玻璃管浮子流量计）亦为 9 ％左右，年销售 1 . 4 万台左右。 90 年代中期，销售有所下降，近来随着天然气工业的迅速发展又有回升趋势。

7 . 1 所示为 TUF 传感器结构简图，由图可见，当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。 TUF 的流量方程可分为两种：实用流量方程和理论流量方程。

( 1 ）实用流量方程

qv = f / K ( 7 . 1 )

qm =qv ρ ( 7 . 2 )

式中 qv , qm ― 分别为体积流量 m3 ／s , 质量流量,kg/s ; f--流量计输出信号的频率Hz ；K―流量计的仪表系数， P / m3 。

    流量计的仪表系数与流量（或管道雷诺数）的关系曲线如图 7 . 2 所示。由图可见，仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段。线性段约为其工作段的三分之二，其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器流量下限时，仪表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。结构相似的 TUF 特性曲线的形状是相似的，它仅在系统误差水平方面有所不同。

    传感器的仪表系数由流量校验装置校验得出，它完全不问传感器内部流体的流动机理，把传感器作为一个黑匣子，根据输人（流量）和输出（频率脉冲信号）确定其转换系数，它便于实际应用。但要注意，此转换系数（仪表系数）是有条件的，其校验条件是参考条件，如果使用时偏离此条件系数将发生变化，变化的情况视传感器类型，管道安装条件和流体物性参数的情况而定。

( 2 ）理论流量方程

根据动量矩定理可以列出叶轮的运动方程，

J dω/dt=M1-M2-M3-M4 ( 7 . 3 )

式中 J ― 叶轮的惯性矩； d ω /dt ― 叶轮的旋转加速度； Ml ― 流体驱动力矩； M2 ― 粘性阻力矩； M3 ― 轴承摩擦阻力矩； M4 ― 磁阻力矩。当叶轮以恒速旋转时， Jd ω /d ＝ 0 ，则 M1=M2+M3+M4 。经理论分析与实验验证可得

n=Aqv+B-C/qv( 7 . 4 )

式中 n ― 叶轮转速； qv ― 体积流量； A ― 与流体物性（密度、粘度等），叶轮结构参数（叶片倾角、叶轮直径、流道截面积等）有关的系数； B ― 与叶片顶隙，流体流速分布有关的系数； C ― 与摩擦力矩有关的系数。

    国内外学者提出许多理论流量方程，它们适用于各种传感器结构及流体工作条件。至今 TUF 仪表特性的水动力学特性仍旧不很清楚，它与流体物性及流动特性有复杂的关系。比如当流场有旋涡和非对称速度分布时水动力学特性就非常复杂。不能用理论式推导仪表系数，仪表系数仍需由实流校验确定。但是理论流量方程有巨大的实用意义，它可用于指导传感器结构参数设计及现场使用条件变化时仪表系数变化规律的预测和估算 .