渦(wō)輪流量計(ji) 的理論與(yǔ)實踐

一 前(qian)言

    傳統 渦(wō)輪流量計(jì)隻能用來(lái)測量低粘(zhān)度的液體(ti)流量，如水(shui)、汽油等。渦(wo)輪流量計(ji)制造廠一(yi)般也規定(ding)被測液體(tǐ)粘度不得(de)大于5MPaS，否則(ze)将産生嚴(yan)重誤差。如(rú)何用傳統(tǒng)渦輪流量(liang)傳感器準(zhǔn)确測量液(ye)體粘度大(dà)于5MPaS的液體(tǐ)流量，如原(yuán)油、機械油(yóu)等的流量(liàng)，則會引起(qi)我們廣泛(fàn)的重視。

    本(ben)研究采用(yong)LW型傳統渦(wo)輪流量傳(chuan)感器作爲(wèi)研究對象(xiàng)，對其進行(hang)了廣泛的(de)理論和實(shí)驗研究，得(de)到了這種(zhǒng)流量傳感(gǎn)器的介質(zhì)粘度補償(cháng)模型，與此(ci)同時，我們(men)還研制了(le)具有粘度(du)自動補償(chang)功能的渦(wō)輪流量計(jì)積算顯示(shi)儀表，這樣(yang)傳統渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器，運用相(xiàng)應粘度補(bu)償模型，并(bìng)配以本積(ji)算顯示儀(yi)表，就可以(yi)實現對粘(zhān)性液體的(de)流量測量(liàng)。

                                二 介質粘(zhān)性影響試(shi)驗

Hochreiter(1) 和 Shafer(2)曾給(gěi)出了渦輪(lun)流量傳感(gan)介質粘性(xìng)影響的物(wù)理模型。
 （1）
式(shi)中 
f---------傳感器(qi)發出的頻(pín)率；
Q-------- 瞬時流(liu)量；
v---------被測液(yè)體的運動(dong)粘度。
式（1）即(ji)稱爲“渦輪(lun)流量計的(de)通用粘度(dù)曲線”。其中(zhong)，Φ爲一多項(xiàng)式；Φ的形式(shì)必須通過(guò)實驗确定(ding)。
爲此，我們(men)首先進行(háng)了介質粘(zhān)性影響的(de)試驗，試驗(yan)裝置如圖(tú)1所示。試驗(yàn)介質粘度(du)變化範圍(wéi)爲1～95.6MPaS；試驗渦(wō)輪流量傳(chuan)感器的型(xing)号爲LW—25型。
 （2）
圖(tu)2給出了試(shì)驗結果。圖(tú)中K爲實際(jì)儀表常數(shù) 
E爲相同誤(wu)差，定義爲(wèi)
 （3）
   由試驗結(jié)果知。當粘(zhān)度達到8.91mm2/s及(jí)更大時，傳(chuan)感器幾乎(hu)失去線性(xing)範圍，從圖(tu)中還可以(yi)看到，在較(jiào)小流量下(xià)，傳感器儀(yi)表常數随(suí)粘度變化(huà)較大；而且(qie)，粘度越大(dà)，儀表常數(shù)越小，而在(zài)較大流量(liang)下，粘度影(yǐng)響就小得(de)多。從這個(gè)試驗結果(guǒ)說明，小流(liu)量時，介質(zhi)粘性起着(zhe)重要的作(zuò)用，而在大(da)流量下，粘(zhān)度的作用(yòng)就顯得不(bu)重要了。

                           三(san) 正交多項(xiàng)式粘度補(bu)償模型

由(you)渦輪流量(liàng)計的通用(yong)粘度曲線(xiàn)模型知，儀(yi)表常數僅(jin)取次于 f/v, 即(jí)
因此，我們(men)将試驗數(shù)據在單對(dui)數坐标紙(zhi)上，以f/v作爲(wei)橫坐标，重(zhong)新作圖，如(ru)圖3所示。結(jié)果發現，原(yuán)來分散的(de)幾條粘度(dù)曲線合成(chéng)一條曲線(xiàn)，這就是通(tong)用粘度曲(qu)線。

我們采(cai)用任意步(bù)長的正交(jiāo)曲線拟合(hé)方法，将試(shi)驗數據重(zhong)新按f/L方式(shì)整理，然後(hòu)進行正交(jiāo)多項式拟(ni)合
式中 公(gōng)式 均爲系(xi)數，計算方(fāng)法參閱文(wén)獻（5）
經計算(suan)表明，對圖(tú)3所示通用(yòng)粘度曲線(xiàn)可以進行(háng)分段拟合(hé)，經分段正(zhèng)交曲線拟(nǐ)合的曲線(xiàn)如圖4、圖5所(suǒ)示。由圖可(ke)見，當f/L>30 (約Re>5000 )時(shí)，Ф曲線接近(jin)水平直線(xian)，即這時儀(yí)表數爲 “常(chang)數”。圖4、圖5曲(qu)線的公式(shì)表達爲
以(yi)上就是試(shi)驗渦輪流(liu)量計的粘(zhān)度補償模(mó)型。式中 δ 反(fan)映了模型(xing)計算的儀(yí)表常數偏(pian)離實際儀(yí)表常數的(de)相對誤差(chà)。模型中，當(dāng)f/L<30時，模型計(jì)算的儀表(biao)常數偏離(lí)實際值zui大(da)值爲2.03%，故該(gāi)段曲線的(de)拟合精度(du)爲±2.5%，而當f/L≥30時(shi)，模型計算(suàn)值偏離實(shi)際值zui大值(zhi)爲0.96%，故若儀(yi)表在此區(qū)間工作，其(qi)精度可達(da)±1%。
                               四 在線粘(zhan)度補償

    爲(wei)了能使渦(wo)輪流量計(jì)實現在線(xian)自動粘度(du)補償測量(liàng)，我們同時(shí)還研制了(le)粘度補償(cháng)式渦輪流(liú)量計流量(liàng)計算顯示(shi)儀表(以下(xia)簡稱儀表(biao))儀表在實(shí)時測量前(qián)，隻要輸入(rù)流體的粘(zhan)度v（單位爲(wèi)mm2/S）即可進入(rù)測量狀态(tai)。模型中的(de)系數bj已固(gu)化在儀表(biao)中，儀表是(shi)一台以單(dān)片微機8031爲(wei)核心的流(liú)量積算顯(xian)示儀表。儀(yí)表的工作(zuò)原理框圖(tu)如圖6所示(shi)。

儀表主要(yao)技術指标(biao)如下；
（1） 适用(yong)傳感口徑(jing) 6～ 50（mm）
（2） 粘度補償(chang)範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補償(cháng)精度 ±1%。 ±2.5% （含傳(chuan)感器誤差(cha)）
（4） 瞬時流量(liàng)顯示 6 位十(shí)進制數 （m3/h ）
（5） 累(lèi)積流量顯(xiǎn)示 8 位十進(jin)整數， 7 位十(shi)進小數（m3）
（6） 模(mo)拟輸出 4～ 20 （mA）
   爲(wei)考核儀表(biao)的環境适(shì)應能力，我(wǒ)們轉對儀(yi)表 中的微(wēi)處理器震(zhen)蕩頻率進(jìn)行測試，内(nei)容包括；（1）芯(xin)片電源電(diàn)壓波動對(dui)頻率的影(yǐng)響；（2）環境溫(wēn)度變化對(dui)頻率的影(ying)響；（3）時間對(dui)頻率的影(ying)響，測試時(shí)，将8031芯片及(jí)6MHz晶振等單(dān)元電路置(zhì)于超級恒(héng)溫水浴中(zhong)，外接一穩(wen)壓電源，數(shù)字電壓表(biǎo)，頻率計進(jìn)行測試，測(cè)試結果表(biǎo)明，電壓漂(piao)移影響zui小(xiao)。溫度影響(xiǎng)zui大。取置信(xin)度爲99.0%。三者(zhě)的相對極(ji)限誤差分(fèn)别爲 δv=1.30×10-6% （電壓(yā)波動爲5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連(lian)續測試時(shi)間爲1小時(shí)）；δ=1.59×10-5%（溫度波動(dòng)爲20～45℃），
   儀表每(mei)隔2秒對來(lai)自傳感器(qi)的電脈沖(chong)進行處理(li)。即按數學(xue)模型編程(cheng)運算，取四(sì)字級浮點(dian)運算，經測(cè)試，運算誤(wu)差不大于(yu)5×10-5%。
   前置處理(li)電路在正(zheng)常輸入信(xin)号頻率範(fan)圍内，不會(huì)增加總體(tǐ)測量誤差(chà)，因此，即使(shi)在zui壞工作(zuo)條件下，zui大(dà)相對誤差(chà)由以上三(san)項誤差及(jí)軟件運算(suàn)誤差δc合成(cheng)而得，即

由(you)此可見，所(suo)研制的粘(zhan)度補償式(shì)渦輪流量(liàng)計 流量計(jì)算顯示儀(yi)表的整體(ti)精度優于(yu)10-6。

                               五 渦輪流(liu)量計的應(ying)用

    早在60年(nián)代，國外就(jiù)将渦輪流(liu)量計用于(yú)石油工業(ye)領域中，對(dui)原油及其(qi)成品油進(jin)行測量，例(li)如英國北(bei)海油田就(jiù)是應用渦(wo)輪流量計(jì)計量原油(you)和水的流(liú)量，一般而(er)言，适用于(yú)原油外輸(shu)計量的流(liú)量計，也僅(jǐn)爲渦輪流(liu)量計（或容(róng)積式流量(liang)計），美國石(shí)油學會石(shi)油計量标(biāo)準AP12534爲此制(zhi)定了“用渦(wo)輪流量計(jì)計量液态(tai)烴”的計量(liang)标準。渦輪(lún)流量計之(zhi)所以能夠(gou)廣泛地應(ying)用于石油(you)工業領域(yù)。是因爲渦(wo)輪流量計(ji)比其他形(xing)式的流量(liang)計，如容積(ji)式流量計(jì)更突出的(de)優點，如渦(wo)輪流量計(ji)具有流量(liàng)範圍寬、結(jié)構緊湊、簡(jiǎn)單、使用壽(shòu)命長等優(you)點，更重要(yao)的是，渦輪(lún)流量計能(néng)夠經受嚴(yan)重的脈動(dòng)而引起的(de)超出流量(liang)上限的流(liu)量，以及流(liu)量計不會(huì)因爲液體(tǐ)中所夾帶(dài)的固體物(wù)從而導緻(zhì)管路系統(tǒng)的阻塞，一(yī)般小顆粒(li)物質經過(guo)流量計時(shi)也不會引(yin)起損壞。但(dàn)是，容積式(shì)流量計就(jiù)不能容忍(rěn)液體中夾(jiá)帶固體顆(ke)粒，這不僅(jǐn)會使流量(liang)計發生故(gu)障，更嚴重(zhong)的是，一旦(dàn)流量計卡(kǎ)死不轉，将(jiang)導緻液體(ti)的阻塞而(ér)引起系統(tǒng)過壓的現(xiàn)象，因此我(wǒ)們相信，渦(wo)輪流量計(ji)将會在石(shí)油工業領(lǐng)域，以及其(qí)他領域得(de)到越來越(yue)廣泛的應(ying)用。

    随着渦(wō)輪流量計(jì)在測量粘(zhan)性介質的(de)流量方而(ér)得到越來(lai)越廣泛的(de)應用，國内(nei)外對“渦輪(lun)流量計的(de)粘性介質(zhi)測量”方面(mian)的研究也(ye)就越來越(yuè)将體現出(chū)其重要的(de)價值和現(xian)實意義。