渦輪流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱TUF）是葉輪式流量（流速）計(jì)的主要品種，葉輪式流量計(jì)還有風(fēng)速計(jì)、水表等。TUF由傳感器和轉(zhuǎn)換顯示儀組成，傳感器采用多葉片的轉(zhuǎn)子感受流體的平均流速，從而推導(dǎo)出流量或總量。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（或轉(zhuǎn)數(shù)）可用機(jī)械、磁感應(yīng)、光電方式檢出并由讀出裝置進(jìn)行顯示和傳送記錄。據(jù)稱美國(guó)早在1886年即發(fā)布過(guò)個(gè)TUF，1914年的認(rèn)為TUF的流量與頻率有關(guān)。美國(guó)的臺(tái)TUF是在1938年開(kāi)發(fā)的，它用于飛機(jī)上燃油的流量測(cè)量，只是直至二戰(zhàn)后因噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和液體噴氣燃料急需一種高、快速響應(yīng)的流量計(jì)才使它獲得真正的工業(yè)應(yīng)用。如今，它已在石油、化工、科研、國(guó)、計(jì)量各部門中獲得廣泛應(yīng)用。

流量計(jì)中TUF、容積式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)是三類重復(fù)性、度的產(chǎn)品，而TUF又具有自己的特點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工部件少、重量輕、維修方便、流通能力大和可適應(yīng)高參數(shù)等，是其他兩類流量計(jì)是的。

LWGY系列渦輪流量計(jì)是吸取了國(guó)內(nèi)外流量?jī)x表技術(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、高、復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏，安裝維護(hù)使用方便等特點(diǎn)的新一代渦輪流量計(jì)，廣泛用于測(cè)量封閉管道中與不銹鋼1Cr18Ni9Ti、2Cr13及剛玉Al₂O₃、硬質(zhì)合金不起腐蝕作用，且無(wú)纖維、顆粒等雜質(zhì)，工作溫度下運(yùn)動(dòng)粘度小于5×10^-6m²/s的液體，對(duì)于運(yùn)動(dòng)粘度大于5×10^-6m²/s的液體，可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定后使用。若與具有功能的顯示儀表配套，還可以進(jìn)行定量控制、量報(bào)警等，是流量計(jì)量和的理想儀表。

二、工作原理

圖1所示為渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，由圖可見(jiàn)，當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測(cè)線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì)，即電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。

圖1

渦輪流量計(jì)的流量方程可分為兩種：實(shí)用流量方程和理論流量方程。

（1）       實(shí)用流量方程

q_v=f/K              公式1

q_m=qvρ             公式2

式中  q_v, q_m……分別為體積流量，m³/s，質(zhì)量流量，kg/s;

          f……流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率，Hz;

          K……流量計(jì)的儀表系數(shù)，P/m³。

流量計(jì)的系數(shù)與流量（或管道雷諾數(shù)）的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖可見(jiàn)，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下，儀表系數(shù)隨著流量變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量過(guò)流量上要注意空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的TUF特性曲線的形狀是相似的，它在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。

圖2  渦輪流量計(jì)特性曲線

傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出，它不問(wèn)傳感器內(nèi)部流體機(jī)理，把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號(hào)）確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)，它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意，此轉(zhuǎn)換系數(shù)（儀表系數(shù)）是有條件的，其校驗(yàn)條件是參考條件，如果使用時(shí)偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。

（2）       理論流量方程

根據(jù)動(dòng)量矩定理可以列出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程

              公式3

式中    J：     葉輪的慣性矩；

    dw/dt：     葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度；

M₁：   流體的驅(qū)動(dòng)力拒；

M₂：   粘性阻力矩；

M₃：   軸承摩擦阻力矩；

M₄：   磁阻力矩。

當(dāng)葉輪以恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)， 0，則M₁=M₂+M₃+M₄。經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得

              公式4

式中  n：   葉輪轉(zhuǎn)速；

qv：   體積流量；

A：   與流體物性（密度、粘度等），葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（葉片傾角、葉輪直徑、

流道截面積等）有關(guān)的系數(shù)；

B：   與葉片頂隙，流體流速分布有關(guān)的系數(shù)；

C：   與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結(jié)構(gòu)及流體工作條件。至今渦輪儀表特性的水動(dòng)力學(xué)特性仍舊不很清楚，它與流體物性及流動(dòng)特性有復(fù)雜的關(guān)系。比如當(dāng)流場(chǎng)有旋渦和非對(duì)稱速度分布時(shí)水動(dòng)力學(xué)特性就復(fù)雜。不能用理論式推導(dǎo)儀表系數(shù)，儀表系數(shù)仍需由實(shí)流校驗(yàn)確定。但是理論流量方程有大的實(shí)用意義，它可用于指導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)使用條件變化時(shí)儀表系數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測(cè)和估算。

三、產(chǎn)品特點(diǎn)

1. 高度，一般可達(dá)&plun;1%R、&plun;0.5%R，高型可達(dá)&plun;0.2%R；
2. 重復(fù)性好，短期重復(fù)性可達(dá)0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重復(fù)性，如經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)可得到高的度，在貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計(jì)；
3. 輸出脈沖頻率信號(hào)，適于總量計(jì)量及與計(jì)算機(jī)連接，無(wú)點(diǎn)漂移，干擾能力強(qiáng)；
4. 可獲得很高的頻率信號(hào)（3~4kHz），信號(hào)分辨力強(qiáng)；
5. 范圍度寬，中大口徑可達(dá)1:20，小口徑為1:10；
6. 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大；
7. 適用高壓測(cè)量，儀表表體上不開(kāi)孔，易制成高壓型儀表；
8. 型傳感器類型多，可根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)為各類型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型、混砂型等；
9. 可制成型，適用于大口徑測(cè)量，壓力損失小，價(jià)格低，可不斷流取出，安裝維護(hù)方便。

四、基本參數(shù)與技術(shù)性能

1.技術(shù)性能

表1

2.測(cè)量范圍及工作壓力

表2

五、儀表分類

1．按儀表功能分類，LWGY系列渦輪流量計(jì)可分為2大類，即：

l         渦輪流量傳感器/變送器

l         智能一體化渦輪流量計(jì)

2．功能說(shuō)明

l         渦輪流量傳感器/變送器

該類渦輪流量產(chǎn)品本身不具備現(xiàn)場(chǎng)顯示功能，將流量信號(hào)遠(yuǎn)傳輸出。流量信號(hào)可分為脈沖信號(hào)或電流信號(hào)（4-20mA）；儀表價(jià)格低廉，集成度高，體積小巧，適用于與二次顯示儀、PLC、DCS等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配合使用。

按照不同的輸出信號(hào)，該類產(chǎn)品可分為L(zhǎng)WGY-□N型和LWGY-□A型

LWGY-□N型傳感器：12～24VDC供電，三線制脈沖輸出，高電平≥8V，低電平≤0.8V；信號(hào)傳輸距離≤1000米；

LWGY-□A型變送器：24VDC供電，二線制4-20mA 輸出，信號(hào)傳輸距離≤1000。

該類渦輪流量產(chǎn)品均分為基本型和爆型（ExdIIBT6）兩種，外形如圖

圖3                               圖4

基本型傳感器/變送器                 爆型傳感器/變送器

l         智能一體化渦輪流量計(jì)

采用的功耗單片微機(jī)技術(shù)研制的渦輪流量傳感器與顯示積算一體化的新型智能儀表，采用雙排液晶現(xiàn)場(chǎng)顯示，具構(gòu)緊湊、讀數(shù)直觀清晰、性高、不受外界電源干擾、雷擊、成本低等明顯優(yōu)點(diǎn)。儀表具備儀表系數(shù)三點(diǎn)修正，智能補(bǔ)償儀表系數(shù)非線性，并可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修正。高清晰液晶顯示器同時(shí)顯示瞬時(shí)流量（4位數(shù)字）及累積流量（8位數(shù)字，帶清功能）。數(shù)據(jù)掉電后保持10年不丟。該類渦輪流量計(jì)均為爆產(chǎn)品，爆等級(jí)為：ExdIIBT6。

該類渦輪流量計(jì)按照供電方式、是否具備遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出可分為L(zhǎng)WGY-□B型和LWGY-□C型。

LWGY-□B型：供電電源采用3.2V10AH鋰電池（可連續(xù)運(yùn)行4年以上）； 無(wú)信號(hào)輸出功能。

LWGY-□C型：供電電源采用24VDC外供電，輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)兩線制電流信號(hào)，并可根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)需要，可增加RS485或HART通訊。

圖5

智能一體化渦輪流量計(jì)

六、儀表選型

表3

注：DN15～DN40常規(guī)為螺紋連接，如希望采用法蘭連接，請(qǐng)?jiān)?ldquo;公稱通徑”后加“（FL）”

例如，選用一臺(tái)法蘭連接式爆型渦輪流量計(jì)測(cè)量柴油，管道為DN40、現(xiàn)場(chǎng)需要顯示并遠(yuǎn)傳電流信號(hào)，要求0.5級(jí)，304不銹鋼材質(zhì)，儀表耐壓16MPa測(cè)量范圍為標(biāo)準(zhǔn)量程，其產(chǎn)品型號(hào)應(yīng)為：LWGY-40(FL)/C/05/S/S/E/H16

七、安裝尺寸

傳感器的安裝方式根據(jù)規(guī)格不同，采用螺紋或法蘭連接，安裝方式見(jiàn)圖6、圖7、圖8，安裝尺寸見(jiàn)表4。

整表結(jié)構(gòu)圖                                   過(guò)濾器結(jié)構(gòu)圖

1.過(guò)濾器 2.前直管段 3.葉輪 4.前置放大器 5.殼體 6.后直管段     1.壓緊圈  2.螺栓4×14  3.墊圈  4.密封墊圈

5.鋼絲1Cr18Ni9Ti-0.8×2.5  6.過(guò)濾網(wǎng)  7.座

圖6LWGY-4～10傳感器結(jié)構(gòu)及安裝尺寸示意圖

1. 殼體  2．前導(dǎo)向件  3．葉輪  4．后導(dǎo)向件  5．前置放大器

圖7  LWGY-15～40傳感器結(jié)構(gòu)及安裝尺寸示意圖

1. 球軸承  2．前導(dǎo)向件  3．漲圈  4．殼體 

5．前置放大器  6．葉輪  7．軸承   8．軸

圖8LWGY-50～200傳感器結(jié)構(gòu)及安裝尺寸示意圖

                                                                     表4

八、流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)

（1）安裝場(chǎng)所

傳感器應(yīng)安裝在便于維修，管道無(wú)振動(dòng)、無(wú)強(qiáng)電磁干擾與熱輻射影響的場(chǎng)所。渦輪流量計(jì)的典型安裝管路系統(tǒng)如圖9所示。圖中各部分的配置可視被測(cè)對(duì)象情況而定，并不都需要。渦輪流量計(jì)對(duì)管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流是敏感的，進(jìn)入傳感器應(yīng)為充分發(fā)展管流，因此要根感器上游側(cè)阻流件類型配備要的直管段或流動(dòng)調(diào)整器，如表5所示。若上游側(cè)阻流件情況不明確，一般推薦上游直管段長(zhǎng)度不小于20D，下游直管段長(zhǎng)度不小于5D，如安裝空間不能滿足上述要求，可在阻流件與傳感器之間安裝流動(dòng)調(diào)整器。傳感器安裝在室外時(shí)，應(yīng)有避直射陽(yáng)光和雨淋的措施。                                                          圖9                                     

表5

（2）連接管道的安裝要求

水平安裝的傳感器要求管道不應(yīng)有目測(cè)可覺(jué)察的傾斜（一般在5°以內(nèi)），垂直安裝的傳感器管道垂直度偏差亦應(yīng)小于5°。

需連續(xù)運(yùn)行不能停流的場(chǎng)所，應(yīng)裝旁通管和的截止閥（見(jiàn)圖9），測(cè)量時(shí)要旁通管無(wú)泄漏。

在新鋪設(shè)管道裝傳感器的位置先介入一段短管代替?zhèn)鞲衅鳎?ldquo;掃線”工作完畢確認(rèn)管道內(nèi)清掃干凈后，再正式接入傳感器。由于忽視此項(xiàng)工作，掃線損壞傳感器屢見(jiàn)不鮮。

若流體含雜質(zhì)，則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝過(guò)濾器，對(duì)于不能停流的，應(yīng)并聯(lián)安裝兩套過(guò)濾器輪流清除雜質(zhì)，或選用自動(dòng)清洗型過(guò)濾器。若被測(cè)液體含有氣體，則應(yīng)在傳感器上游側(cè)裝消氣器。過(guò)濾器和消氣器的排污口和消氣口要通向的場(chǎng)所。

若傳感器安裝位置處于管線的低點(diǎn)，為流體中雜質(zhì)沉淀滯留，應(yīng)在其后的管線裝排放閥，定期排放沉淀雜質(zhì)。

被測(cè)流體若為易氣化的液體，為發(fā)生氣穴，影響測(cè)量度和使用期限，傳感器的出口端壓力應(yīng)高于公式5計(jì)算的壓力p_min

p_min=2△p+1.25p_v  Pa               公式5

式中 p_min——壓力，Pa；

     △p——傳感器流量時(shí)壓力損失，Pa；

      p_v——被測(cè)液體使用溫度時(shí)飽和蒸汽壓，Pa。

流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝在傳感器下游，上游側(cè)的截止閥測(cè)量時(shí)應(yīng)全開(kāi)，且這些閥門得產(chǎn)生振動(dòng)和向外泄漏。對(duì)于可能產(chǎn)生逆向流的流程應(yīng)加止回閥以流體反向流動(dòng)。

傳感器應(yīng)與管道同心，密封墊圈不得凸入管路。液體傳感器不應(yīng)裝在水平管線的點(diǎn)，以免管線內(nèi)聚集的氣體（如停流時(shí)混入空氣）停留在傳感器處，不易排出而影像測(cè)量。

傳感器前后管道應(yīng)支撐牢靠，不產(chǎn)生振動(dòng)。對(duì)易凝結(jié)流體要對(duì)傳感器及其前后管道采取保溫措施。