渦(wo)輪流量計 的理(lǐ)論與實踐

一 前(qian)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(liu)量計制造廠一(yi)般也規定被測(cè)液體粘度不得(dé)大于5MPaS，否則将産(chǎn)生嚴重誤差。如(ru)何用傳統渦輪(lun)流量傳感器準(zhǔn)确測量液體粘(zhān)度大于5MPaS的液體(tǐ)流量，如原油、機(ji)械油等的流量(liang)，則會引起我們(men)廣泛的重視。

    本(běn)研究采用LW型傳(chuan)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(zhi)粘度補償模型(xíng)，與此同時，我們(men)還研制了具有(yǒu)粘度自動補償(chang)功能的渦輪流(liu)量計積算顯示(shi)儀表，這樣傳統(tǒng)渦輪流量傳感(gan)器，運用相應粘(zhan)度補償模型，并(bing)配以本積算顯(xian)示儀表，就可以(yi)實現對粘性液(yè)體的流量測量(liang)。

                                二 介質粘性影(yǐng)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(mo)型。
 （1）
式中 
f---------傳感器(qì)發出的頻率；
Q-------- 瞬(shùn)時流量；
v---------被測液(ye)體的運動粘度(du)。
式（1）即稱爲“渦輪(lun)流量計的通用(yong)粘度曲線”。其中(zhōng)，Φ爲一多項式；Φ的(de)形式必須通過(guò)實驗确定。
爲此(cǐ)，我們首先進行(hang)了介質粘性影(yǐng)響的試驗，試驗(yan)裝置如圖1所示(shi)。試驗介質粘度(dù)變化範圍爲1～95.6MPaS；試(shì)驗渦輪流量傳(chuan)感器的型号爲(wei)LW—25型。
 （2）
圖2給出了試(shì)驗結果。圖中K爲(wèi)實際儀表常數(shu) 
E爲相同誤差，定(dìng)義爲
 （3）
   由試驗結(jié)果知。當粘度達(dá)到8.91mm2/s及更大時，傳(chuan)感器幾乎失去(qu)線性範圍，從圖(tú)中還可以看到(dào)，在較小流量下(xià)，傳感器儀表常(cháng)數随粘度變化(huà)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(guo)說明，小流量時(shí)，介質粘性起着(zhe)重要的作用，而(ér)在大流量下，粘(zhān)度的作用就顯(xian)得不重要了。

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

由(you)渦輪流量計的(de)通用粘度曲線(xiàn)模型知，儀表常(chang)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(zhong)新作圖，如圖3所(suǒ)示。結果發現，原(yuán)來分散的幾條(tiáo)粘度曲線合成(chéng)一條曲線，這就(jiù)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(fa)，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(shì)中 公式 均爲系(xi)數，計算方法參(can)閱文獻（5）
經計算(suan)表明，對圖3所示(shì)通用粘度曲線(xian)可以進行分段(duàn)拟合，經分段正(zhèng)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(zhè)時儀表數爲 “常(chang)數”。圖4、圖5曲線的(de)公式表達爲
以(yǐ)上就是試驗渦(wō)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(cháng)數偏離實際儀(yí)表常數的相對(duì)誤差。模型中，當(dang)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(ér)當f/L≥30時，模型計算(suàn)值偏離實際值(zhí)zui大值爲0.96%，故若儀(yí)表在此區間工(gong)作，其精度可達(da)±1%。
                               四 在線粘度補(bǔ)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(wō)輪流量計流量(liang)計算顯示儀表(biǎo)(以下簡稱儀表(biao))儀表在實時測(ce)量前，隻要輸入(ru)流體的粘度v（單(dan)位爲mm2/S）即可進入(ru)測量狀态。模型(xing)中的系數bj已固(gu)化在儀表中，儀(yi)表是一台以單(dan)片微機8031爲核心(xin)的流量積算顯(xian)示儀表。儀表的(de)工作原理框圖(tu)如圖6所示。

儀表(biao)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(chang)範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補償精度(dù) ±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(wei)十進整數， 7 位十(shí)進小數（m3）
（6） 模拟輸(shū)出 4～ 20 （mA）
   爲考核儀表(biao)的環境适應能(néng)力，我們轉對儀(yí)表 中的微處理(li)器震蕩頻率進(jin)行測試，内容包(bao)括；（1）芯片電源電(dian)壓波動對頻率(lǜ)的影響；（2）環境溫(wēn)度變化對頻率(lǜ)的影響；（3）時間對(dui)頻率的影響，測(cè)試時，将8031芯片及(ji)6MHz晶振等單元電(diàn)路置于超級恒(heng)溫水浴中，外接(jie)一穩壓電源，數(shù)字電壓表，頻率(lü)計進行測試，測(cè)試結果表明，電(diàn)壓漂移影響zui小(xiao)。溫度影響zui大。取(qu)置信度爲99.0%。三者(zhě)的相對極限誤(wù)差分别爲 δv=1.30×10-6% （電壓(ya)波動爲5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測(cè)試時間爲1小時(shi)）；δ=1.59×10-5%（溫度波動爲20～45℃），
   儀(yi)表每隔2秒對來(lái)自傳感器的電(diàn)脈沖進行處理(lǐ)。即按數學模型(xing)編程運算，取四(si)字級浮點運算(suan)，經測試，運算誤(wu)差不大于5×10-5%。
   前置(zhi)處理電路在正(zhèng)常輸入信号頻(pín)率範圍内，不會(hui)增加總體測量(liàng)誤差，因此，即使(shǐ)在zui壞工作條件(jiàn)下，zui大相對誤差(chà)由以上三項誤(wù)差及軟件運算(suan)誤差δc合成而得(dé)，即

由此可見，所(suǒ)研制的粘度補(bǔ)償式渦輪流量(liang)計 流量計算顯(xian)示儀表的整體(tǐ)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(you)工業領域中，對(dui)原油及其成品(pin)油進行測量，例(li)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(shi)用于原油外輸(shū)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(jì)量标準AP12534爲此制(zhì)定了“用渦輪流(liu)量計計量液态(tai)烴”的計量标準(zhǔn)。渦輪流量計之(zhī)所以能夠廣泛(fan)地應用于石油(you)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(wo)輪流量計具有(you)流量範圍寬、結(jié)構緊湊、簡單、使(shǐ)用壽命長等優(yōu)點，更重要的是(shi)，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(dai)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(guò)流量計時也不(bu)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(gù)體顆粒，這不僅(jin)會使流量計發(fa)生故障，更嚴重(zhong)的是，一旦流量(liang)計卡死不轉，将(jiāng)導緻液體的阻(zu)塞而引起系統(tǒng)過壓的現象，因(yīn)此我們相信，渦(wō)輪流量計将會(hui)在石油工業領(ling)域，以及其他領(ling)域得到越來越(yue)廣泛的應用。

    随(suí)着渦輪流量計(ji)在測量粘性介(jiè)質的流量方而(ér)得到越來越廣(guang)泛的應用，國内(nèi)外對“渦輪流量(liàng)計的粘性介質(zhì)測量”方面的研(yan)究也就越來越(yuè)将體現出其重(zhòng)要的價值和現(xiàn)實意義。