新型微型渦輪流量計(jì)是一種容積式與速度式計(jì)量原理相結(jié)合的產(chǎn)品，該文介紹了一種新型微型液體渦輪流量計(jì)的計(jì)量原理、基本結(jié)構(gòu)，并通過運(yùn)動(dòng)分析，闡述了該結(jié)構(gòu)渦輪流量計(jì)的性能特點(diǎn)，通過與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的比對(duì)，證明了此結(jié)構(gòu)在小口徑低流量計(jì)量方面具有計(jì)量精度更準(zhǔn)確、適應(yīng)范圍廣、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

0.引言

渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)， 一般由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表等組成，利用的是置于流動(dòng)中的葉輪轉(zhuǎn)速與流體流速成正比的原理，用于測(cè)量充滿于封閉圓管道中連續(xù)流過的體積流量。 因?yàn)槠渚哂芯雀?、重?fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)， 多數(shù)采用的是直板型葉片輪，流體流經(jīng)葉片時(shí)，相對(duì)葉片有一個(gè)入射角，從而在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)既產(chǎn)生摩擦阻力，又產(chǎn)生黏滯阻力，而這兩個(gè)阻力都與液體的粘度成正比，即粘度越大阻力也就越大。 又由于直板型葉片輪直接裝配在流量計(jì)殼體內(nèi)，殼體與葉片相互之間間隙較大，因此當(dāng)介質(zhì)粘度較大時(shí)，葉片輪旋轉(zhuǎn)阻力增大，而介質(zhì)卻已經(jīng)在很大的間隙中流出，此時(shí)信號(hào)與流量就不能成為比例關(guān)系，造成極大的計(jì)量誤差。

對(duì)于小口徑渦輪流量計(jì)，由于小口徑的磁電轉(zhuǎn)換器中的磁鋼在通過小流量時(shí)對(duì)直板型葉片輪產(chǎn)生的磁阻力矩相對(duì)較大，同時(shí)也影響了直板型葉片輪的正常轉(zhuǎn)動(dòng)。 為了保證儀表計(jì)量準(zhǔn)確度，一般必須加大流體的流速，增加對(duì)直板型葉片輪的推動(dòng)力，因此傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)適用于大口徑、大流量工況情況下的計(jì)量。

1 微型液體渦輪流量計(jì)計(jì)量原理

微型渦輪流量計(jì)計(jì)量原理如圖 1 所示。 該流量計(jì)設(shè)計(jì)采用了速度式計(jì)量和容積式計(jì)量相結(jié)合的原理:在流量計(jì)殼體內(nèi)，增加了一個(gè)計(jì)量腔體;計(jì)量腔體內(nèi)裝配螺旋型葉片輪，同時(shí)螺旋葉片內(nèi)埋鑄了磁鋼(磁鋼的 N/ S 極指向垂直于轉(zhuǎn)軸的軸線)，形成了核心計(jì)量組件。 當(dāng)流體通過計(jì)量腔體時(shí)推動(dòng)螺旋葉片輪旋轉(zhuǎn)，磁鋼也隨之同步旋轉(zhuǎn)，安裝在流量計(jì)殼體上的傳感器線圈感應(yīng)到磁鋼磁極的變化而產(chǎn)生了高低電平脈沖，將檢測(cè)到的信號(hào)送入前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形，進(jìn)而用于流量顯示和遠(yuǎn)傳。

在測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器的輸出脈沖總數(shù)與流過傳感器的體積總量成正比，其比值稱為儀表常數(shù)，用 K(P / Ｌ) 表示。 每臺(tái)傳感器都經(jīng)過實(shí)際測(cè)試標(biāo)定儀表常數(shù)值。 當(dāng)測(cè)出脈沖信號(hào)的頻率 f 和某一段時(shí)

間內(nèi)的脈沖總數(shù) N 后，分別除以儀表常數(shù) K( P / Ｌ)便可求得瞬時(shí)流量 q( Ｌ / s) 和累積流量 Q( Ｌ) ，即:

q=f / K ， Q=N / K

式中: f 為脈沖信號(hào)的頻率( P / s);N 為脈沖信號(hào)總量(P) 。

2 微型液體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)

微型液體渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，主要由殼體、計(jì)量管、軸承組件、葉輪、傳感器線圈和帶放大電路的輸出裝置等組成。

計(jì)量管安裝在殼體中，前后兩端各有一個(gè)軸承組件，埋鑄了磁鋼的葉輪靠軸承組件支撐，并調(diào)整位于殼體正中心，葉輪上均勻分布著 2 片螺旋葉片，流體流過時(shí)沖擊葉片使葉輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 線圈位于磁鋼上方，發(fā)信器內(nèi)放置放大電路。

所包含的容積式流量計(jì)通用的計(jì)量腔的雙計(jì)量腔結(jié)構(gòu)( 計(jì)量管與流體通道之間間隙、計(jì)量管內(nèi)腔) ，即計(jì)量腔體與葉輪上的螺旋葉片之間的間隙可以控制，得以保證流體的流通量相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)而保證流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2． 1 殼體

不銹鋼圓筒形結(jié)構(gòu)，能夠比較容易達(dá)到高壓的要求。

2． 2 渦輪

渦輪由不導(dǎo)磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋狀葉片。 流體經(jīng)過螺旋葉片上的任意不同半徑時(shí)，流動(dòng)方向都與螺旋葉片的角度平行，使得流體與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，沒有夾角，因此流體在螺旋葉片上產(chǎn)生的摩擦阻力大大降低。 圖 3 表明葉片表面和流體之間的半徑和入射角是不存在的。

2． 3 軸承

軸向推力，使軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，加速鈾承磨損，為了消除軸向力，需在結(jié)構(gòu)上采取水力平衡措施，因此軸承設(shè)計(jì)成在前部球形、 后部錐型的組件形式，來支持反向流動(dòng)，如圖４ 所示。

同時(shí)設(shè)計(jì)上渦輪處直徑 DH 略小于前后支架處直徑 DS ，所以，在渦輪段流通截面擴(kuò)大，流速降低，使流體靜壓上升 p，這個(gè) p 的靜壓將起到抵消部分軸向推力的作用。

2． ４ 微型液體渦輪流量計(jì)性能特點(diǎn)

1) 雙計(jì)量腔結(jié)構(gòu)保證較高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和重復(fù)性;2) 獨(dú)特的螺旋葉片設(shè)計(jì)，更適用于低流速、小流量的流體計(jì)量，同樣精度下，流量量程比更寬; 3) 對(duì)粘度變化的敏感度比容積式流量計(jì)和傳統(tǒng)型渦輪流量計(jì)要小，粘度適應(yīng)性更廣。

3 結(jié)束語

新型微型渦輪流量計(jì)優(yōu)于傳統(tǒng)型的渦輪流量計(jì)，兼具容積式流量計(jì)和傳統(tǒng)型渦輪流量計(jì)的使用范圍，特別適用于小口徑、小流量、粘度范圍寬的流體計(jì)量，具有良好的可靠性、較高的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。 按此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 DN15 口徑液體渦輪流量計(jì)，已達(dá)到國(guó)外同類同口徑產(chǎn)品的水平。 該結(jié)構(gòu)流量計(jì)及相關(guān)關(guān)鍵部件已申請(qǐng)了發(fā)明專利、并已獲得４項(xiàng)實(shí)用新型專利。