渦(wo)輪流量計 的理(lǐ)論與實踐

一 前(qián)言

    傳統 渦輪流(liu)量計隻能用來(lai)測量低粘度的(de)液體流量，如水(shuǐ)、汽油等。渦輪流(liú)量計制造廠一(yi)般也規定被測(cè)液體粘度不得(de)大于5MPaS，否則将産(chǎn)生嚴重誤差。如(ru)何用傳統渦輪(lún)流量傳感器準(zhun)确測量液體粘(zhān)度大于5MPaS的液體(ti)流量，如原油、機(jī)械油等的流量(liàng)，則會引起我們(men)廣泛的重視。

    本(ben)研究采用LW型傳(chuán)統渦輪流量傳(chuán)感器作爲研究(jiu)對象，對其進行(hang)了廣泛的理論(lun)和實驗研究，得(dé)到了這種流量(liàng)傳感器的介質(zhì)粘度補償模型(xíng)，與此同時，我們(men)還研制了具有(you)粘度自動補償(cháng)功能的渦輪流(liu)量計積算顯示(shì)儀表，這樣傳統(tǒng)渦輪流量傳感(gǎn)器，運用相應粘(zhan)度補償模型，并(bìng)配以本積算顯(xian)示儀表，就可以(yǐ)實現對粘性液(ye)體的流量測量(liàng)。

                                二 介質粘性影(ying)響試驗

Hochreiter(1) 和 Shafer(2)曾給(gei)出了渦輪流量(liang)傳感介質粘性(xìng)影響的物理模(mó)型。
 （1）
式中 
f---------傳感器(qì)發出的頻率；
Q-------- 瞬(shun)時流量；
v---------被測液(ye)體的運動粘度(du)。
式（1）即稱爲“渦輪(lún)流量計的通用(yòng)粘度曲線”。其中(zhōng)，Φ爲一多項式；Φ的(de)形式必須通過(guo)實驗确定。
爲此(cǐ)，我們首先進行(háng)了介質粘性影(yǐng)響的試驗，試驗(yàn)裝置如圖1所示(shi)。試驗介質粘度(du)變化範圍爲1～95.6MPaS；試(shi)驗渦輪流量傳(chuan)感器的型号爲(wèi)LW—25型。
 （2）
圖2給出了試(shi)驗結果。圖中K爲(wei)實際儀表常數(shu) 
E爲相同誤差，定(ding)義爲
 （3）
   由試驗結(jie)果知。當粘度達(dá)到8.91mm2/s及更大時，傳(chuán)感器幾乎失去(qu)線性範圍，從圖(tú)中還可以看到(dao)，在較小流量下(xià)，傳感器儀表常(chang)數随粘度變化(hua)較大；而且，粘度(dù)越大，儀表常數(shu)越小，而在較大(dà)流量下，粘度影(yǐng)響就小得多。從(cóng)這個試驗結果(guǒ)說明，小流量時(shi)，介質粘性起着(zhe)重要的作用，而(er)在大流量下，粘(zhan)度的作用就顯(xian)得不重要了。

                           三(sān) 正交多項式粘(zhan)度補償模型

由(yóu)渦輪流量計的(de)通用粘度曲線(xian)模型知，儀表常(cháng)數僅取次于 f/v, 即(jí)
因此，我們将試(shi)驗數據在單對(duì)數坐标紙上，以(yǐ)f/v作爲橫坐标，重(zhòng)新作圖，如圖3所(suo)示。結果發現，原(yuán)來分散的幾條(tiao)粘度曲線合成(cheng)一條曲線，這就(jiu)是通用粘度曲(qu)線。

我們采用任(ren)意步長的正交(jiao)曲線拟合方法(fǎ)，将試驗數據重(zhòng)新按f/L方式整理(li)，然後進行正交(jiao)多項式拟合
式(shi)中 公式 均爲系(xì)數，計算方法參(cān)閱文獻（5）
經計算(suàn)表明，對圖3所示(shi)通用粘度曲線(xiàn)可以進行分段(duàn)拟合，經分段正(zheng)交曲線拟合的(de)曲線如圖4、圖5所(suǒ)示。由圖可見，當(dang)f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲線接近(jin)水平直線，即這(zhe)時儀表數爲 “常(chang)數”。圖4、圖5曲線的(de)公式表達爲
以(yi)上就是試驗渦(wo)輪流量計的粘(zhan)度補償模型。式(shi)中 δ 反映了模型(xing)計算的儀表常(chang)數偏離實際儀(yi)表常數的相對(dui)誤差。模型中，當(dāng)f/L<30時，模型計算的(de)儀表常數偏離(lí)實際值zui大值爲(wei)2.03%，故該段曲線的(de)拟合精度爲±2.5%，而(er)當f/L≥30時，模型計算(suan)值偏離實際值(zhi)zui大值爲0.96%，故若儀(yí)表在此區間工(gong)作，其精度可達(dá)±1%。
                               四 在線粘度補(bu)償

    爲了能使渦(wo)輪流量計實現(xian)在線自動粘度(du)補償測量，我們(men)同時還研制了(le)粘度補償式渦(wo)輪流量計流量(liàng)計算顯示儀表(biao)(以下簡稱儀表(biǎo))儀表在實時測(cè)量前，隻要輸入(rù)流體的粘度v（單(dān)位爲mm2/S）即可進入(ru)測量狀态。模型(xing)中的系數bj已固(gù)化在儀表中，儀(yi)表是一台以單(dān)片微機8031爲核心(xīn)的流量積算顯(xian)示儀表。儀表的(de)工作原理框圖(tú)如圖6所示。

儀表(biǎo)主要技術指标(biāo)如下；
（1） 适用傳感(gǎn)口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘度補償(cháng)範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補償精度(du) ±1%。 ±2.5% （含傳感器誤差(chà)）
（4） 瞬時流量顯示(shi) 6 位十進制數 （m3/h ）
（5） 累(lèi)積流量顯示 8 位(wèi)十進整數， 7 位十(shí)進小數（m3）
（6） 模拟輸(shu)出 4～ 20 （mA）
   爲考核儀表(biǎo)的環境适應能(néng)力，我們轉對儀(yi)表 中的微處理(lǐ)器震蕩頻率進(jin)行測試，内容包(bao)括；（1）芯片電源電(diàn)壓波動對頻率(lǜ)的影響；（2）環境溫(wen)度變化對頻率(lü)的影響；（3）時間對(dui)頻率的影響，測(ce)試時，将8031芯片及(ji)6MHz晶振等單元電(dian)路置于超級恒(héng)溫水浴中，外接(jiē)一穩壓電源，數(shu)字電壓表，頻率(lü)計進行測試，測(ce)試結果表明，電(dian)壓漂移影響zui小(xiǎo)。溫度影響zui大。取(qu)置信度爲99.0%。三者(zhe)的相對極限誤(wù)差分别爲 δv=1.30×10-6% （電壓(yā)波動爲5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測(ce)試時間爲1小時(shi)）；δ=1.59×10-5%（溫度波動爲20～45℃），
   儀(yí)表每隔2秒對來(lái)自傳感器的電(dian)脈沖進行處理(lǐ)。即按數學模型(xíng)編程運算，取四(sì)字級浮點運算(suàn)，經測試，運算誤(wù)差不大于5×10-5%。
   前置(zhì)處理電路在正(zheng)常輸入信号頻(pín)率範圍内，不會(huì)增加總體測量(liang)誤差，因此，即使(shǐ)在zui壞工作條件(jiàn)下，zui大相對誤差(cha)由以上三項誤(wu)差及軟件運算(suàn)誤差δc合成而得(dé)，即

由此可見，所(suo)研制的粘度補(bǔ)償式渦輪流量(liàng)計 流量計算顯(xiǎn)示儀表的整體(ti)精度優于10-6。

                               五 渦(wō)輪流量計的應(yīng)用

    早在60年代，國(guó)外就将渦輪流(liu)量計用于石油(yóu)工業領域中，對(dui)原油及其成品(pin)油進行測量，例(lì)如英國北海油(you)田就是應用渦(wō)輪流量計計量(liang)原油和水的流(liú)量，一般而言，适(shì)用于原油外輸(shu)計量的流量計(ji)，也僅爲渦輪流(liú)量計（或容積式(shì)流量計），美國石(shi)油學會石油計(ji)量标準AP12534爲此制(zhì)定了“用渦輪流(liu)量計計量液态(tài)烴”的計量标準(zhun)。渦輪流量計之(zhī)所以能夠廣泛(fàn)地應用于石油(yóu)工業領域。是因(yīn)爲渦輪流量計(ji)比其他形式的(de)流量計，如容積(ji)式流量計更突(tū)出的優點，如渦(wō)輪流量計具有(you)流量範圍寬、結(jie)構緊湊、簡單、使(shǐ)用壽命長等優(yōu)點，更重要的是(shì)，渦輪流量計能(neng)夠經受嚴重的(de)脈動而引起的(de)超出流量上限(xian)的流量，以及流(liú)量計不會因爲(wèi)液體中所夾帶(dài)的固體物從而(er)導緻管路系統(tong)的阻塞，一般小(xiao)顆粒物質經過(guo)流量計時也不(bú)會引起損壞。但(dan)是，容積式流量(liang)計就不能容忍(rěn)液體中夾帶固(gu)體顆粒，這不僅(jin)會使流量計發(fā)生故障，更嚴重(zhòng)的是，一旦流量(liàng)計卡死不轉，将(jiāng)導緻液體的阻(zu)塞而引起系統(tong)過壓的現象，因(yin)此我們相信，渦(wō)輪流量計将會(hui)在石油工業領(lǐng)域，以及其他領(lǐng)域得到越來越(yuè)廣泛的應用。

    随(sui)着渦輪流量計(ji)在測量粘性介(jie)質的流量方而(er)得到越來越廣(guǎng)泛的應用，國内(nei)外對“渦輪流量(liàng)計的粘性介質(zhi)測量”方面的研(yan)究也就越來越(yuè)将體現出其重(zhong)要的價值和現(xian)實意義。