渦輪流量計的研究

1 渦輪流量計測量原理

1.1 基本原理

渦輪流量計是一種速度式儀表，它是以動量矩守恒原理為基礎的，流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉，渦輪的旋轉速度隨流量的變化而變化，最后從渦 輪的轉數求出流量值，通過磁電轉換裝置（或機械輸出裝置）將渦輪轉速變化成電脈沖，送入二次儀表進行計算和顯示，由單位時間電脈沖數和累計電脈沖數反映出 瞬時流量和累計流量。

1.2 渦輪流量計的影響因素

渦輪流量計的理想特性曲線僅與儀表結構參數有關，與流量變化無關，儀表系數K為一常數。而實際曲線并非如此，對于實際的渦輪流量計， 渦輪首先必須克服軸承的靜摩擦力后才能轉動。我們將渦輪克服靜摩擦力矩所需的最小流量值稱為該渦輪的始動流量值。當通過流量計的流量小于始動流量值時，渦 輪不轉，無信號輸出。當流量大于始動排量以后，隨著流量的增加，渦輪旋轉角速度也將增大。以后在測量范圍內，流體產生的阻力矩將成為影響流量計特性的主要 因素。相對來說，由軸承間摩擦產生的機械阻力矩就比較小了。流體產生的阻力矩對渦輪的影響又分為兩種情況，當流體以較低速度流經渦輪，儀表常數是隨被測液 體的流量和運動粘度變化而變化的；當流體以較高速度流經渦輪，儀表常數只與儀表本身的結構參數有關，而與流量無關。只有這種狀態時，儀表常數才真正表示了 常數的性質。渦輪流量計的流量范圍就是根據這一區間來確定的。

2 實驗及結果分析

2.1 實驗數據－渦輪在水中不同溫度下的響應

不同溫度下，用水標定渦輪k值的情況如表1，從表1中可以發現，由于水的溫度有所增加，渦輪的K（K=F/Q）值相對減小。

表1

2.2 實驗數據－渦輪在油中不同溫度下的響應

不同溫度下，標準渦輪對油流量的響應數值如下表：

表2

根據上表做出油對K值得響應特性曲線，如圖1所示，冷油（16度）對K值的響應特性，即F=119.7Q-46.383；熱油（60度）對K值的響應特性，即：

F=107.04Q-20.484。

由此，我們可以推導出：

Q₁=（F₁+20.48）/107.04 （1）

Q₂=（F₂+46.38）/119.7 （2）

式中：Q₁-熱油流量；Q₂-冷油流量；F₁-渦輪對Q₁的頻率響應值；F₂-渦輪對Q₂的頻率響應值。

圖1

將公式（1）（2）組成方程組，解得：（1）當F=F₁=F₂=142.2時，Q₁=Q₂；

（2）當F=F₁=F₂>142.2時，K值大的渦輪流速相對較小；

（3）當F=F₁=F₂<142.2時，K值大的渦輪流速相對較大。

如圖2為標準渦輪在不同流量、不同油溫下的K值響應曲線。標準渦輪K值計算公式為：K=F/Q。

圖2

其中F為標準渦輪在某量范圍內的響應頻率。Q=V/T（m^3/D），假設V為某一固定體積容器，那么T即為以某固定流量Q充滿固定體積V所用的時間。

由上面圖表我們看到，當Q₁=Q₂時，F₁2，K₁2。因此可以得出，當流量一定時，標定冷水的K值比熱水的K值大。如果提高流量Q1，使F1=F2，這時又出現下面的情況：當F₁=F₂時，Q₁>Q₂，K₁>K₂。