渦(wo)輪流量計(以(yi)下簡稱流量(liàng)計)是以流體(tǐ)動量矩原理(lǐ)爲基礎的流(liú)量計量儀表(biǎo)。有些科技文(wén)獻又将其劃(huà)分爲速度式(shi)儀表，因爲在(zai)一定的流🤞量(liang)範圍内，流量(liang)計的轉動🏃🏻速(su)度與流體的(de)流速成比例(li)關系。
　　渦輪流(liu)量計使用中(zhong)的主要特點(dian)：體積小；重量(liàng)輕；精度高(有(you)的🌍流量計可(ke)以當作計量(liang)标準儀表)；反(fǎn)應時間快(有(you)些可達到毫(hao)秒級🔴)；量程比(bi)寬(一般爲10∶1)；壓(ya)力損失小；适(shi)用工作流體(ti)溫度高；輸出(chū)爲脈☔沖信号(hào)，故不🏒易受到(dao)幹擾；可以長(zhang)距離傳輸，便(biàn)于各種參數(shu)處理。當它與(yǔ)多功🙇🏻能、多參(can)數的顯示儀(yi)表(以下簡稱(chēng)儀表)組合使(shǐ)用時，可以同(tong)時對累積💁流(liu)量、瞬時流量(liàng)或流體溫度(du)、内部壓力等(deng)參數進行測(ce)量及分析、調(diao)節。
1 渦輪流量(liàng)計的工作過(guo)程
　　渦輪流量(liang)計通常由渦(wo)輪(機械部分(fen))、磁電轉換器(qi)、放❄️大機🌈構(電(diàn)子部分)等組(zu)成。

　　當(dang)流體流經安(ān)裝在管道裏(lǐ)的渦輪，即流(liú)經渦輪葉🔞片(pian)與管道之🛀間(jian)的間隙時，由(yóu)于流體的沖(chòng)擊作用，使得(de)渦輪圍繞軸(zhou)心發生旋轉(zhuan)。渦輪旋轉的(de)轉數與介質(zhì)流體的體積(jī)流量呈現近(jin)似的線性關(guān)系。再将渦輪(lun)的旋轉通過(guò)磁電😄轉換器(qì)變換成相對(duì)📐應的電脈⁉️沖(chong)信号，以此脈(mò)沖信号經電(diàn)子放大機構(gou)放大後，即可(kě)輸送顯示🌂儀(yí)表進行多參(cān)數物理量的(de)指示。
　　由前可(kě)知，在測量範(fan)圍内，渦輪的(de)轉速與流量(liàng)成正比，而信(xin)号的脈沖數(shu)則與渦輪的(de)轉速成正比(bǐ)。所以🔴，檢測🌈出(chu)信号脈沖總(zong)數以後，除以(yǐ)儀表常數ξ(次(cì)/升)，便💞可計算(suan)得到該段時(shi)間内的介質(zhi)流體總量 V(升(sheng))，即：
V＝N/ξ(L)　　　　(1)
舉一例：流(liú)量計ξ爲 180 次/L，用(yong)儀器測出在(zai)10,min 内儀表計算(suan)得的脈沖數(shu)爲🐉 7,200 次，則 10,min内管(guǎn)道中流過流(liu)體的總量爲(wei)：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
2 渦輪旋(xuán)轉的基本原(yuán)理
　　渦輪流量(liang)計主要組件(jian)包括：導流體(tǐ)組件、渦輪組(zu)件、殼體、磁電(dian)㊙️轉🈲換器和放(fàng)大機構等。通(tōng)過對流體流(liu)過管道及渦(wō)輪結構的分(fen)析，我們可以(yǐ)得出，當流體(tǐ)沿管道的軸(zhou)線方向流動(dòng)而沖擊渦輪(lun)葉㊙️片時，便有(you)與流量 Q、密度(du)φ和流速 V 的乘(cheng)積成比例的(de)力作用于葉(yè)片上，推動渦(wo)輪🚶‍♀️旋轉。

　　如圖(tú) 2 所示，由于渦(wo)輪對流體是(shi)作相對運動(dong)，如果渦輪旋(xuan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻轉的圓⛱️周速(sù)度 V＝w·r 與軸線平(ping)行的流速與(yǔ)葉片的夾角(jiao)爲θ，流通面積(jī)爲 A，則介質流(liu)速 V＝Q/A，則推動渦(wō)輪旋轉的力(lì)矩 M 可用下💃🏻式(shi)表示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ　　　　(2)
　　式中：K1——與(yǔ)流量計結構(gou)尺寸、流體質(zhi)量、狀态有關(guān)的參數；r——平均(jun)半徑，常取葉(yè)片寬度 1/2 到中(zhōng)心的距離。
由(you)(2)式可知，力矩(ju) M 除與流量 Q 有(you)關外，與流體(ti)介質密度ρ、流(liu)動狀态與流(liú)向等多個因(yin)素有關。
　　在渦(wo)輪旋轉時，除(chú)推動渦輪旋(xuan)轉的轉動力(li)矩 M外，還同時(shi)存✏️在阻礙渦(wō)輪旋轉的阻(zǔ)力矩，其中包(bao)括：介質粘度(dù)對渦🔆輪摩擦(cā)引🙇🏻起的㊙️阻力(lì)矩 M1，軸承摩擦(cā)引起的阻力(li)矩 M2，磁電轉換(huàn)器引起的磁(ci)電反應🔞阻力(li)矩M3。根據動量(liang)矩守恒原理(lǐ)，渦輪的運動(dòng)💯方程式可以(yǐ)用以下⛹🏻‍♀️函數(shù)關系式表示(shi)：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3　　　(3)
　　式中：J——渦輪的(de)轉動慣量；dω/dt——渦(wo)輪的角加速(sù)度。
　　由(3)式可知(zhi)，當 dω/dt 爲零時，渦(wo)輪以角速度(dù)ω作勻速轉動(dòng)；當流量發🤟生(sheng)變化時，dω/dt≠0，渦輪(lun)将作加速旋(xuán)轉運動，經過(guò)一段時間後(hou)，随着流量的(de)穩定，渦輪又(you)會達到新的(de)力矩平衡狀(zhuang)态，即 dω/dt 又等于(yu)零值。就是說(shuō)，渦輪将以另(ling)一新的角速(su)度勻速旋轉(zhuan)，以适應新的(de)流量☔，并出現(xiàn)了新的穩定(dìng)狀🎯态。
　　通過分(fèn)析和計算可(ke)知，在 dω/dt＝0 時，渦輪(lún)轉動角速度(du)ω與體積♻️流量(liang) Q 有如下式的(de)近似關系：
ω＝ξQ－ξa　　　(4)
　　式(shì)中：a——與流量計(ji)結構參數、流(liú)體介質、流動(dòng)狀态有關的(de)系數；ξ——流量計(jì)轉換系數，當(dang)介質流量大(dà)于某一數值(zhi)時，在一㊙️段區(qu)間内可以近(jin)似看作爲一(yī)常數，有時也(yě)稱爲儀表常(cháng)數。
　　儀表常數(shù)ξ是流量計重(zhòng)要的特性參(can)數，由于流量(liàng)計是通過磁(ci)🛀電轉換器将(jiang)角速度ω 轉換(huan)成相應的脈(mo)沖數，因而我(wǒ)們可以把ξ看(kan)成🥰是單位體(ti)積流量 Q 通過(guo)流量計時，轉(zhuan)換器輸出的(de)脈沖數(脈沖(chòng)數❤️/升)，故也稱(cheng)爲流量系數(shù)。流量計作爲(wèi)産品出廠時(shi)，生産單位則(ze)是測取測量(liang)範圍内的轉(zhuan)換系數平均(jun)值作爲儀表(biao)常🥰數，因而可(ke)以💯認爲流體(tǐ)總量 V 與🔞脈沖(chòng)數 N 的關系，如(ru)(5)式所示：
V＝N/ξ　　　(5)
3 磁電(diàn)轉換器的工(gong)作過程
磁電(diàn)轉換器工作(zuo)時如圖 3 所示(shi)。
　　當流體通過(guò)渦輪葉片時(shí)，渦輪 5 将發生(sheng)旋轉運動，葉(ye)♈輪🎯片 4 将周期(qi)性切割磁鋼(gang) 1 而産生磁力(lì)線 3，從而改變(biàn)通過♻️線圈☀️ 2 的(de)磁通量，根據(ju)電磁感應原(yuan)理，在線圈内(nei)将感應出脈(mo)動的電勢信(xìn)号。不難理解(jie)，脈動電勢信(xin)🈲号的頻率與(yǔ)渦輪旋轉的(de)角速度ω成正(zheng)比💞，即與被測(ce)🌍介質的流量(liàng) Q 成正比。通過(guò)😍放大機構(電(diàn)子部分)将上(shang)⭐述脈沖信号(hao)放大到 1V 左右(yòu)脈沖電壓，傳(chuán)送給顯🏒示儀(yí)表，即可顯🐕示(shi)出被測介質(zhi)的流量數據(ju)。

4 渦輪流量計(jì)顯示儀表工(gong)作原理
　　根據(jù)我們對流量(liàng)計工作原理(li)的分析和探(tàn)讨，得知流量(liàng)計輸出的信(xin)号是電脈沖(chong)數，因此儀表(biǎo)就是将👈單位(wèi)時間的輸出(chu)脈沖和👄輸出(chu)脈沖的總數(shù)轉換成瞬時(shí)流量和流體(tǐ)總量⭕，并把以(yǐ)上數據進行(hang)分析後通過(guo)數字量顯示(shi)。因而儀表的(de)♈組成可以用(yong)圖 4 所示🔆的方(fang)框圖表示：

4.1 瞬時(shi)流量指示
　　瞬(shun)時流量指示(shì)的實質，就是(shi)對瞬時頻率(lǜ)、脈沖信号的(de)指示，是将🐪信(xìn)号處理後的(de)頻率、脈沖線(xiàn)性地轉換成(cheng)直流電信号(hào)而指示相📱應(yīng)的流量參數(shù)。如果是模拟(ni)儀表，标尺常(cháng)以頻率(Hz)數值(zhi)分度，指示的(de)頻率值 f除以(yi)流量計儀表(biǎo)常數ξ就能夠(gou)得到瞬時體(tǐ)積流量值Q。如(ru)圖 5 所示的頻(pín)率瞬時指示(shi)原理方框圖(tu)。

　　經過整形(xíng)後的輸入頻(pín)率(脈沖)作用(yong)于計算電路(lu)的輸入端 T，使(shi)💃🏻電路中交替(tì)出現截止或(huò)導通兩種狀(zhuàng)态，放大器輸(shu)⁉️出端🏃‍♂️脈沖波(bō)形被整形，與(yu) T 的波形相反(fǎn)，當放大電💜路(lù)出現截止狀(zhuàng)态時，電源 E 通(tōng)過外圍電路(lù)(或集成内部(bu))在儲能電🔞容(róng) C 中預存電荷(hé)；當放大電路(lù)出現導通狀(zhuàng)态時，C 預存的(de)電荷通過外(wài)圍電路(或集(jí)成内部)迅速(sù)釋放。就這樣(yàng)輸入的頻率(lǜ)(脈沖)經過電(dian)子☀️電路改變(biàn)爲與之相對(dui)應✍️的電流信(xìn)号。電路裏的(de)電流指示儀(yi)表 4 即刻顯📧示(shi)該計量電流(liú)值 I 的🌏多少，I＝q/T，而(er) q＝C·E，f＝1/T(q 爲一個脈沖(chòng)周期電容所(suǒ)充電荷☁️量；C 爲(wei)電容量；E 爲電(diàn)源電壓值；f 爲(wèi)充放電🚩頻率(lü))。合并三式可(kě)得到公式(6)：
I＝C·E·f　　　(6)
　　由(yóu)公式(6)可知，當(dang)電源電壓 E 和(he)電容量 C 爲常(chang)數時，電流 I 與(yǔ)輸入脈沖♌的(de)頻率 f 成正比(bǐ)，當更改外圍(wei)電路(或集成(chéng)内部)儲存電(dian)💋荷的電容 C(1～n)參(cān)數或連接方(fāng)式以及改變(biàn)電路數據時(shí)，就可以得到(dào)不同介質的(de)流量測量範(fan)圍。在有些流(liú)量計結構中(zhōng)，爲了便于檢(jian)查指示儀✉️表(biao)是否工作正(zheng)常，在放大器(qi)輸入端設置(zhì)有自檢電㊙️路(lu)裝置。它将振(zhen)蕩器産生的(de)恒😍定頻率脈(mò)沖信号送入(ru)後置電路，實(shí)現💃🏻自動檢測(cè)工作正常與(yu)否的目的。
4.2 總(zǒng)量積算
　　前述(shu)我們介紹了(le)流量計工作(zuo)原理，通常還(hai)要計量在🌈一(yī)定時😍間🏃🏻‍♂️範圍(wei)内，流量計流(liu)過介質的體(ti)積或質量的(de)累積量，因此(ci)顯示儀表具(ju)有累積計算(suàn)功能。下面我(wo)們根據流量(liàng)計實際工況(kuang)對一種累積(ji)值計算📐方法(fa)的實現進行(háng)分析。
圖 6 爲一(yī)種應用除法(fa)方案進行累(lei)積計算的組(zǔ)成原理圖。

　　由(you)圖 6 可知，此積(jī)算器構成中(zhōng)包括了整形(xíng)、累積脈沖計(jì)🌈數、系統設定(ding)、總量積算、軟(ruan)件數據的控(kong)制等。其 4 個輸(shū)出端分别與(yǔ)四層波段開(kāi)關的各層相(xiang)連，通過軟件(jiàn)控制，組成了(le)系統設🧑🏾‍🤝‍🧑🏼定器(qì)。根據流量計(jì)系數ξ的值，可(kě)以在 0～9,999(其🈲他參(cān)數也可以)之(zhi)間任意選擇(zé)設定系數。
　　由(yóu)放大電路機(ji)構輸出的脈(mo)沖信号，經整(zhěng)形處理後，成(cheng)爲🐪具⭐有一🔞定(ding)幅值和能滿(man)足前沿要求(qiu)的脈沖信✊号(hao)，将此信号轉(zhuǎn)入換算電路(lù)機構，它每輸(shū)出一個脈沖(chong)信号便拖動(dòng)💔計數電路機(ji)構🐉統計一個(gè)數碼參數，同(tong)時軟件功能(néng)即可識别紀(jì)錄出一個數(shu)字量，表明🍓已(yǐ)經有一個單(dān)位介質體積(jī)的流量流過(guò)流量計。此🏃‍♂️時(shí)換算電路💚單(dan)元輸出的信(xìn)号直接改變(biàn)觸發穩态電(dian)路，使各☀️計數(shu)參數值恢複(fú)到起始的“零(ling)”狀态，重複🏃‍♂️此(ci)過程即完成(chéng)了累積脈沖(chòng)的積算，就是(shì)對累積流量(liang)介質的積算(suàn)。
　　例如：口徑爲(wei) 80,mm 的流量計，流(liú)量系數ξ爲16.25 脈(mo)沖/升，通過軟(ruǎn)件将系數🚶‍♀️設(she)定分别置于(yu) 1、6、2、5，則每當計數(shù)器收到 1,625 個脈(mò)沖信号的瞬(shùn)時✏️，軟件🛀操作(zuo)發出指令并(bing)輸出一個固(gu)🌈定頻率信号(hao)，使電路狀态(tài)發生變化，使(shǐ)計數電路結(jie)構統計一個(gè)計量單🈲位，從(cong)而實㊙️現了逢(féng) K 進一的累計(ji)運算，顯示儀(yí)表就能夠顯(xian)示出流體介(jiè)🐉質總量。
　　通過(guò)上例分析可(kě)知，如果流量(liang)計輸送到顯(xian)示儀表的脈(mò)沖🌐總數爲 N，經(jing)換算後，送到(dào)總量積算器(qì)的脈沖數爲(wei) Nc，則流體介質(zhi)計量總量爲(wèi)：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m　　(7)
　　式中：K 爲設定(ding)系數，(K＝10m·ξ)；m 爲整數(shu)。
　　本除法方案(àn)設定系數的(de)方式較爲簡(jian)單，穩定性比(bi)較好，電路容(róng)易實現，可以(yi)直接将流量(liang)系數ξ 輸入軟(ruan)件中，控制系(xi)數♉設定器，積(ji)算器就可以(yi)逢 K 進一，顯示(shi)儀表指示出(chu)流體介質總(zong)量。
5 結束語
　　本(běn)文對渦輪流(liú)量計流量計(ji)和儀表的工(gong)作原理進行(háng)🏃‍♂️了分析，總🍓結(jié)了其工作過(guo)程。重點對參(cān)數設定方😄法(fǎ)、電路組成及(ji)作用🌍等進👣行(háng)了說明。文章(zhāng)對測量不同(tóng)介質狀态下(xia)🏃‍♂️選擇流量計(ji)以🏃🏻及使用方(fāng)法和過程調(diao)試具有⛷️一定(dìng)提示。

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