流体涡轮流量计设计
《液体涡轮流量计设计》
[前言]
在工业现场，测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。是中最重要的仪表之一。随着工业的发展，对流量测量的准确度和范围要求越来越高，为了适应多种用途，各种类型的流量计相继问世，广泛应用于石油天然气、石油化工、水处理、食品饮料、制药、能源、冶金、纸浆造纸和等行业。而其中液体涡轮式流量计因其不受测量参数影响，可以测量多种介质的优点而广泛应用于工业中流体的测量，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。
涡轮流量计具有结构简单、重量轻、维修方便、加工零部件少、流通能力打及价格低廉等特点，已经广泛应用于石油类、有机液体、无机液体、低温液体等的精确测量。
随着科学技术的发展，生产环境日趋复杂，对流量测量的要求也越来越高。因此，运用不同的物理原理和规律也相继问世与之相适应，如差压流量计、电磁流量计、涡轮流量计超声波流量计和质量流量计等等。在所有流量计中，涡轮流量计、容积式流量计及
科里奥利质量流量计为重复性、精确度最好的流量计。这三类流量计中，涡轮流量计具有结构简单、重量轻、维修方便、加工零部件少、流通能力打及价格低廉等特点，已经广泛应用于石油类、有机液体、无机液体、低温液体等的精确测量。
[主题]
一、涡轮机流量计工作原理
涡轮流量计的工作原理是根据置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比，通过测量叶轮的旋转角速度得到被测流体的流速，从而得到管道内的流量值。流体从机壳的进口流入．通过支架将一对袖承固定在管中心轴线上，涡轮安装在轴承上．在涡轮上下游的支架上装有呈辐射形的整流板，以对流体起导向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用角度．在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁通变化信号．
涡轮机流量计的原理如图1所示，在管道中心安放一个涡轮，两端支撑，当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮客服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转，在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得
到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。
涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生于流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送到频率电流转换电路，将脉冲信号转化成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。
1涡轮流量计原理示意图 2涡轮流量计总体原理框图
整个仪表由壳体、导向体（疏流器）、叶轮、轴、轴承及信号检测器等组成。
涡轮流量计在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体进入流量计时，首先要经过涡轮流量计内部特殊结构的前导流体并加速。在流体的作用下，涡轮叶片会与流体流向形成一定角度，这个时候
涡轮就会产生转动力矩，这个转动力矩需要克服阻力力矩和摩擦力
矩之后才能带动涡轮开始转动。当转动力矩、阻力力矩和摩擦力矩达到平衡时，涡轮的转速就会恒定。而且涡轮转动速度与流量成线性关系。叶轮的转速经一副齿轮减速，同时由一个密封的磁性耦合器件将转动的趋势传到仪表外部的机械式计数器。利用电磁感应原理，通过
旋转的涡轮叶片顶端导磁体周期性地改变磁阻，将检测线圈检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，经过放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位与流量积算电路，得到并显示累积流量值；同时将脉冲信号送入频率-电流转换电路，转换成模拟电流，进而
指示瞬时流量值。
二、涡轮流量计的组成结构
1、涡轮流量计的构造
涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送人显示仪表进
行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求瞬时流量和累积流量州。
管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的k，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。尽管涡量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮变送器的仪表常数k也不完全一样，它通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送人显示仪表，就可以实现流量的测量。
涡轮流量计特点具有精度高、重复|生好、无零点漂移、高量程比等优点。涡轮流量计拥有高质量轴承、特别设计的导流片，因此极大降低了磨损，对峰值不敏感，甚者恶劣的条件下也可以给出可靠的测量变量。缺点：(1)测量气、液混相或粘度较大的流体会产生很大的误差；(2)测量的含有颗粒的流体需要提前过滤以免涡轮被卡。
流体从机壳的进口流入．通过支架将一对袖承固定在管中心轴线上，涡轮安装在轴承上．在涡轮上下游的支架上装有呈辐射形的整流板，以对流体起导向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用角度．在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁通变化信号．
2、下面介绍主要部件．
(1)涡轮涡轮由导磁不锈钢材料制成，装有螺旋状叶片．叶片数量根据直径变化而不同，2－24片不等．为了使涡轮对流速有很好的响应，要求质量尽可能小．对涡轮叶片结构参数的一般要求为：叶片倾角10°－15°(气体)，30°－45°（液体）；叶片重叠度P为1—1．2；叶片与内壳间的间隙为0．5—1mm．
(2)轴承
涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，要求耐磨性能好．由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使铀承的摩擦转矩增大，加速铀承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措施，由于涡轮处直径略小于前后支架处直径，所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静压上升，这个的静压将起到抵消部分轴向推力的作用．
(3)前置放大器
前置放大器由磁电感应转换器与放大整形电路两部分组成，磁电转换器国内一般采用磁阻式，它由永久磁钢及外部缠绕的感应线圈组成．当流体通过使讽轮旋转的，叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小，两叶片空隙在磁钢下方时磁阻最大，涡轮旅转，不断地改变磁路的磁通量，使线圈中产生变化的感应电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号．
三、涡轮机流量计类型
A、现场显示型
本智能流量计是采用先进单片微机技术设计的新型流量计显示仪表，与脉冲信号输出的流量传感器（如涡轮、旋涡）配套。可显示瞬时流量和累计总量。累计流量：八位数字，小数点后面3位有效数字。瞬时流量：六位数字，可显示出每升的变化。显示精度：±1个显示单位。信号输出：脉冲输出：1~3000Hz外供+12~+24VDC 电流输出：4~20mA外供+24VDC电源（两线制）内置2节3V锂电池并联供电。当电压低于2.7V 时出现欠压指示，隔爆型。小信号切除功能。
B、脉冲输出型
工作电压：+12VDC或+24VDC两种（客户定货前必须选定一种供电电源）。信号传输距离：小于250