渦(wō)輪流量(liang)計 的理(li)論與實(shi)踐

一 前(qian)言

    傳統(tǒng) 渦輪流(liu)量計隻(zhī)能用來(lai)測量低(dī)粘度的(de)液體流(liu)量，如水(shuǐ)、汽油等(deng)。渦輪流(liu)量計制(zhì)造廠一(yī)般也規(guī)定被測(ce)液體粘(zhān)度不得(de)大于5MPaS，否(fǒu)則将産(chǎn)生嚴重(zhòng)誤差。如(ru)何用傳(chuan)統渦輪(lún)流量傳(chuán)感器準(zhun)确測量(liang)液體粘(zhān)度大于(yú)5MPaS的液體(tǐ)流量，如(rú)原油、機(ji)械油等(deng)的流量(liang)，則會引(yin)起我們(men)廣泛的(de)重視。

    本(ben)研究采(cai)用LW型傳(chuán)統渦輪(lún)流量傳(chuan)感器作(zuo)爲研究(jiū)對象，對(dui)其進行(hang)了廣泛(fàn)的理論(lùn)和實驗(yan)研究，得(de)到了這(zhè)種流量(liàng)傳感器(qì)的介質(zhi)粘度補(bǔ)償模型(xíng)，與此同(tóng)時，我們(men)還研制(zhì)了具有(yǒu)粘度自(zi)動補償(chang)功能的(de)渦輪流(liu)量計積(ji)算顯示(shi)儀表，這(zhe)樣傳統(tǒng)渦輪流(liu)量傳感(gǎn)器，運用(yong)相應粘(zhan)度補償(chang)模型，并(bing)配以本(běn)積算顯(xiǎn)示儀表(biǎo)，就可以(yi)實現對(duì)粘性液(ye)體的流(liu)量測量(liàng)。

                                二 介質(zhi)粘性影(yǐng)響試驗(yan)

Hochreiter(1) 和 Shafer(2)曾給(gěi)出了渦(wō)輪流量(liang)傳感介(jiè)質粘性(xìng)影響的(de)物理模(mó)型。
 （1）
式中(zhong) 
f---------傳感器(qi)發出的(de)頻率；
Q-------- 瞬(shùn)時流量(liang)；
v---------被測液(yè)體的運(yun)動粘度(du)。
式（1）即稱(chēng)爲“渦輪(lun)流量計(ji)的通用(yòng)粘度曲(qu)線”。其中(zhōng)，Φ爲一多(duo)項式；Φ的(de)形式必(bì)須通過(guo)實驗确(que)定。
爲此(ci)，我們首(shǒu)先進行(háng)了介質(zhi)粘性影(yǐng)響的試(shi)驗，試驗(yan)裝置如(ru)圖1所示(shì)。試驗介(jiè)質粘度(dù)變化範(fàn)圍爲1～95.6MPaS；試(shì)驗渦輪(lún)流量傳(chuan)感器的(de)型号爲(wèi)LW—25型。
 （2）
圖2給(gěi)出了試(shi)驗結果(guo)。圖中K爲(wei)實際儀(yi)表常數(shu) 
E爲相同(tóng)誤差，定(ding)義爲
 （3）
   由(you)試驗結(jie)果知。當(dāng)粘度達(dá)到8.91mm2/s及更(geng)大時，傳(chuán)感器幾(ji)乎失去(qu)線性範(fàn)圍，從圖(tú)中還可(ke)以看到(dào)，在較小(xiao)流量下(xià)，傳感器(qì)儀表常(chang)數随粘(zhan)度變化(hua)較大；而(ér)且，粘度(du)越大，儀(yi)表常數(shù)越小，而(ér)在較大(da)流量下(xia)，粘度影(yǐng)響就小(xiao)得多。從(cóng)這個試(shì)驗結果(guo)說明，小(xiao)流量時(shi)，介質粘(zhan)性起着(zhe)重要的(de)作用，而(ér)在大流(liú)量下，粘(zhān)度的作(zuo)用就顯(xian)得不重(zhòng)要了。

                           三(san) 正交多(duō)項式粘(zhān)度補償(chang)模型

由(yóu)渦輪流(liu)量計的(de)通用粘(zhān)度曲線(xian)模型知(zhī)，儀表常(chang)數僅取(qǔ)次于 f/v, 即(ji)
因此，我(wǒ)們将試(shi)驗數據(jù)在單對(dui)數坐标(biao)紙上，以(yi)f/v作爲橫(héng)坐标，重(zhong)新作圖(tú)，如圖3所(suo)示。結果(guo)發現，原(yuán)來分散(sàn)的幾條(tiao)粘度曲(qu)線合成(cheng)一條曲(qǔ)線，這就(jiù)是通用(yong)粘度曲(qu)線。

我們(men)采用任(rèn)意步長(zhang)的正交(jiao)曲線拟(nǐ)合方法(fǎ)，将試驗(yàn)數據重(zhong)新按f/L方(fang)式整理(lǐ)，然後進(jìn)行正交(jiao)多項式(shì)拟合
式(shi)中 公式(shì) 均爲系(xì)數，計算(suàn)方法參(cān)閱文獻(xian)（5）
經計算(suan)表明，對(duì)圖3所示(shì)通用粘(zhān)度曲線(xiàn)可以進(jìn)行分段(duàn)拟合，經(jīng)分段正(zhèng)交曲線(xian)拟合的(de)曲線如(ru)圖4、圖5所(suo)示。由圖(tú)可見，當(dāng)f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲(qǔ)線接近(jin)水平直(zhi)線，即這(zhè)時儀表(biao)數爲 “常(chang)數”。圖4、圖(tu)5曲線的(de)公式表(biao)達爲
以(yǐ)上就是(shì)試驗渦(wo)輪流量(liàng)計的粘(zhān)度補償(cháng)模型。式(shi)中 δ 反映(yìng)了模型(xíng)計算的(de)儀表常(cháng)數偏離(lí)實際儀(yí)表常數(shù)的相對(duì)誤差。模(mo)型中，當(dāng)f/L<30時，模型(xing)計算的(de)儀表常(cháng)數偏離(lí)實際值(zhí)zui大值爲(wei)2.03%，故該段(duàn)曲線的(de)拟合精(jing)度爲±2.5%，而(ér)當f/L≥30時，模(mo)型計算(suan)值偏離(lí)實際值(zhi)zui大值爲(wèi)0.96%，故若儀(yi)表在此(cǐ)區間工(gōng)作，其精(jīng)度可達(da)±1%。
                               四 在線(xiàn)粘度補(bǔ)償

    爲了(le)能使渦(wō)輪流量(liang)計實現(xian)在線自(zì)動粘度(du)補償測(ce)量，我們(men)同時還(hai)研制了(le)粘度補(bǔ)償式渦(wo)輪流量(liang)計流量(liàng)計算顯(xiǎn)示儀表(biǎo)(以下簡(jian)稱儀表(biǎo))儀表在(zai)實時測(cè)量前，隻(zhī)要輸入(ru)流體的(de)粘度v（單(dān)位爲mm2/S）即(jí)可進入(ru)測量狀(zhuang)态。模型(xing)中的系(xi)數bj已固(gu)化在儀(yí)表中，儀(yi)表是一(yī)台以單(dan)片微機(jī)8031爲核心(xin)的流量(liang)積算顯(xian)示儀表(biao)。儀表的(de)工作原(yuán)理框圖(tú)如圖6所(suǒ)示。

儀表(biǎo)主要技(jì)術指标(biao)如下；
（1） 适(shi)用傳感(gǎn)口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘(zhan)度補償(cháng)範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補(bǔ)償精度(dù) ±1%。 ±2.5% （含傳感(gan)器誤差(chà)）
（4） 瞬時流(liu)量顯示(shi) 6 位十進(jin)制數 （m3/h ）
（5） 累(lei)積流量(liàng)顯示 8 位(wèi)十進整(zheng)數， 7 位十(shí)進小數(shu)（m3）
（6） 模拟輸(shū)出 4～ 20 （mA）
   爲考(kǎo)核儀表(biao)的環境(jing)适應能(neng)力，我們(men)轉對儀(yí)表 中的(de)微處理(li)器震蕩(dang)頻率進(jìn)行測試(shi)，内容包(bāo)括；（1）芯片(pian)電源電(dian)壓波動(dòng)對頻率(lü)的影響(xiang)；（2）環境溫(wen)度變化(huà)對頻率(lǜ)的影響(xiang)；（3）時間對(duì)頻率的(de)影響，測(ce)試時，将(jiāng)8031芯片及(ji)6MHz晶振等(deng)單元電(diàn)路置于(yú)超級恒(heng)溫水浴(yù)中，外接(jiē)一穩壓(yā)電源，數(shu)字電壓(yā)表，頻率(lǜ)計進行(hang)測試，測(cè)試結果(guo)表明，電(dian)壓漂移(yi)影響zui小(xiǎo)。溫度影(ying)響zui大。取(qu)置信度(dù)爲99.0%。三者(zhe)的相對(dui)極限誤(wù)差分别(bie)爲 δv=1.30×10-6% （電壓(yā)波動爲(wèi)5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測(ce)試時間(jian)爲1小時(shí)）；δ=1.59×10-5%（溫度波(bō)動爲20～45℃），
   儀(yí)表每隔(ge)2秒對來(lai)自傳感(gan)器的電(dian)脈沖進(jìn)行處理(lǐ)。即按數(shù)學模型(xíng)編程運(yun)算，取四(si)字級浮(fu)點運算(suan)，經測試(shi)，運算誤(wu)差不大(da)于5×10-5%。
   前置(zhi)處理電(diàn)路在正(zhèng)常輸入(rù)信号頻(pín)率範圍(wéi)内，不會(huì)增加總(zǒng)體測量(liàng)誤差，因(yin)此，即使(shǐ)在zui壞工(gong)作條件(jian)下，zui大相(xiàng)對誤差(cha)由以上(shàng)三項誤(wù)差及軟(ruan)件運算(suan)誤差δc合(hé)成而得(dé)，即

由此(ci)可見，所(suǒ)研制的(de)粘度補(bǔ)償式渦(wo)輪流量(liàng)計 流量(liàng)計算顯(xian)示儀表(biǎo)的整體(tǐ)精度優(you)于10-6。

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

    早在(zai)60年代，國(guó)外就将(jiang)渦輪流(liú)量計用(yong)于石油(you)工業領(lǐng)域中，對(dui)原油及(jí)其成品(pǐn)油進行(hang)測量，例(li)如英國(guo)北海油(you)田就是(shì)應用渦(wō)輪流量(liang)計計量(liàng)原油和(he)水的流(liu)量，一般(ban)而言，适(shì)用于原(yuan)油外輸(shū)計量的(de)流量計(jì)，也僅爲(wei)渦輪流(liu)量計（或(huò)容積式(shì)流量計(ji)），美國石(shí)油學會(hui)石油計(ji)量标準(zhǔn)AP12534爲此制(zhì)定了“用(yong)渦輪流(liu)量計計(jì)量液态(tai)烴”的計(jì)量标準(zhǔn)。渦輪流(liu)量計之(zhi)所以能(néng)夠廣泛(fàn)地應用(yong)于石油(you)工業領(ling)域。是因(yīn)爲渦輪(lun)流量計(ji)比其他(tā)形式的(de)流量計(jì)，如容積(ji)式流量(liang)計更突(tū)出的優(yōu)點，如渦(wo)輪流量(liang)計具有(yǒu)流量範(fan)圍寬、結(jie)構緊湊(còu)、簡單、使(shǐ)用壽命(mìng)長等優(yōu)點，更重(zhòng)要的是(shì)，渦輪流(liú)量計能(neng)夠經受(shòu)嚴重的(de)脈動而(er)引起的(de)超出流(liú)量上限(xiàn)的流量(liàng)，以及流(liú)量計不(bu)會因爲(wèi)液體中(zhōng)所夾帶(dai)的固體(ti)物從而(er)導緻管(guǎn)路系統(tong)的阻塞(sai)，一般小(xiǎo)顆粒物(wu)質經過(guo)流量計(ji)時也不(bu)會引起(qǐ)損壞。但(dan)是，容積(jī)式流量(liang)計就不(bu)能容忍(rěn)液體中(zhong)夾帶固(gu)體顆粒(li)，這不僅(jin)會使流(liú)量計發(fā)生故障(zhang)，更嚴重(zhong)的是，一(yi)旦流量(liang)計卡死(si)不轉，将(jiang)導緻液(yè)體的阻(zǔ)塞而引(yin)起系統(tǒng)過壓的(de)現象，因(yin)此我們(men)相信，渦(wō)輪流量(liàng)計将會(huì)在石油(you)工業領(ling)域，以及(ji)其他領(lǐng)域得到(dao)越來越(yue)廣泛的(de)應用。

    随(sui)着渦輪(lun)流量計(jì)在測量(liàng)粘性介(jie)質的流(liú)量方而(ér)得到越(yuè)來越廣(guǎng)泛的應(ying)用，國内(nèi)外對“渦(wō)輪流量(liang)計的粘(zhan)性介質(zhì)測量”方(fāng)面的研(yán)究也就(jiu)越來越(yue)将體現(xiàn)出其重(zhòng)要的價(jià)值和現(xian)實意義(yi)。