《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-20叶轮式流量计

叶轮式流量计1.水表水表的主要特点是在于其传感器和指示装置均为机械式设计，且工作动力来自水流。常用的叶轮式水表根据水流特点可分为切线流叶轮式水表、竖式叶轮式水表和轴流式叶轮式水表。切线流叶轮式水表的水流沿切线流入表内，驱动叶轮旋转，由旋转的圈数测量通过表的流量。切线流叶轮式水表有单流束和多流束两种形式（REF_Ref18134\h图1），要水平安装。单流束切线流叶轮式水表仅有一层外壳，只有一束水流来推动内部的叶轮旋转。该水表结构简单、价廉，适用于小管径的管道。多流束切线流叶轮式水表的外壳内另有测量室，水流通过测量室周围上分布的小孔均匀地以切线方向推动内部的叶轮旋转。该水表测量精度高、叶轮偏磨耗小、安装所需直管段短，适用于中、小管径的管道。竖式叶轮式水表的水流方向与叶轮的转动轴垂直，水流从下面向上推动叶轮旋转。该表启动流量小、压力损失小，要水平安装，适用于中、小管径的管道。轴流式叶轮式水表的水流方向与叶轮的转动轴平行，压力损失小，能够以任何位置安装，适用于大管径的管道。叶轮的旋转由齿轮机构来减速，并传给流量指示部分。流量指示部分处于水中的称为湿式水表，流量指示部分处于空气中的称为干式水表。湿式水表不需要密封水，结构简单，但水中杂质易污染表刻度盘，且难于实现流量信号的远传。干式水表不存在水中杂质污染表刻度盘问题，容易实现流量信号的远传。远传水表的信号有两类，一类是包括代表实时流量的开关信号、脉冲信号、数字信号等，传感器一般用干簧管或霍尔元件。另一类代表累计流量的数字信号和经编码的其他电信号等。远传输出的方式包括有线和无线。（a）单流束（b）多流束图1切线流叶轮式水表水表的特性曲线如REF_Ref18369\h图2。图中qVmin为水表保证最大误差时所要求的最小流量；qVt为水表从最大误差区域向最小误差区域过渡的分界流量；qVmax为水表保证最小误差时所要求的最大流量；qVn为水表的最大持续工作流量，也称为公称流量。图2水表的特性曲线2.涡轮流量计涡轮流量计由涡轮流量传感器和显示仪器组成，具有体积小、结构紧凑，读数直观清晰、信号能远距离传送，可靠性高、不受外界电源干扰、耐高压，精度高、反应快、量程宽、线性好，压力损失小等诸多优点，目前已在石油、化工、科研、国防、计量各个部门中得到广泛应用。液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。涡轮流量变送器的结构如REF_Ref19821\h图3所示。它由导流器3、8与轴向涡轮叶片5、磁电转换装置6和放大器等组成。当流体通过传感器时，在流体作用下，涡轮叶片旋转，由磁性材料制成的涡轮叶片通过固定在壳体上的永久磁钢时，磁路中的磁阻发生周期性变化，从而感生出交流电脉冲信号，该信号的频率与被测流体的体积流量成正比。磁—电转换器的输出信号经放大后，输出至显示仪表，进行流量指示和计算。图3涡轮流量变送器构造1—紧固环；2—壳体；3—前导流器；4—止推片；5—涡轮叶片；6—磁-电转换器；7—轴承；8—后导流器在测量范围内，传感器输出脉冲数与流量成正比，其比值称为仪表常数，用K（次/m³）表示。每一台涡轮流量传感器都有经过实际校验测得的仪表常数。测得脉冲信号的频率，便可以利用REF_Ref19736\h式（1）求出流体的流量。 qV=fK式中qV——体积流量，F——检测线圈感应出的电脉冲信号频率，次/s。涡轮流量计的仪表常数与流量（或者雷诺数）的关系如REF_Ref6915\h图4所示。由图可见，理想的K-qv特性应为一水平直线。实际特性曲线可以分为线性区和非线性区。在线性区仪表常数近似看作线性。线性区约为其工作区的2/3，其特性与传感器结构尺寸及流体黏性有关。在非线性区，特性受轴承摩擦力，流体黏性力影响较大。当流量低于传感器流量下限时，仪表常数随着流量迅速变化，在层流与紊流的过渡区域中（Re=2300左右），流动状态由紊流变为层流时，由于层流状态的流体黏滞摩擦力矩小于紊流状态的流体黏滞摩擦力矩，涡轮的转速升高，此时特性曲线呈现出高峰（通常处在流量上限的20%～35%处）。仪表适用的流量范围，应在特性曲线的线性部分，要求K的线性度在±0.5%以内，复现性在±0.1%以内。变送器最好工作在流量上限的50%以上，这样，不至于工作在特性曲线的非线性区，而造成较大的测量误差。当流量超过流量上限时，要注意防止空穴现象。图4涡轮流量计特性曲线涡轮流量传感器与显示仪表的连接结构有一体式（传感器与变送器组合成一体）和分体式两种。涡轮流量传感器有短管型（REF_Ref20363\h图5）和插入型。插入型适用于大型管道，测量精度远低于短管型，通常用于过程控制，不适用于贸易核算计量。图5涡旋流量变送器结构图1—紧固环；2—壳体；3—前导流器；4—止推器；5—涡轮叶片；6—磁-电转换器；7—轴承；8—后导流器涡轮流量传感器必须水平安装，其上游应装过滤器，它对管道内流速分布畸变及旋转流特别敏感，要求进入传感器的流体应为充分发展管流，传感器上游侧应根据阻力件类型配备直管段（REF_Ref10768\h表1）。如果上游侧阻力件情况不明，一般推荐上游侧应有20D（变送器公称直径）的直管段；下游侧应有5D的直管段。否则需用整流器整流。传感器上游侧的截断阀应全开，流量调节阀应安装在传感器下游侧。为保证通过流量变送器的流体是单相流，必要时需装消气器并保证下游具有一定的背压。表1涡轮流量计所要求的最短直管段长度上游侧阻流件类型单个90°弯头在同一平面上的两个90°弯头在不同平面上的两个90°弯头同心渐缩管全开阀门半开阀门下游侧长度L/D2025401520505涡轮流量变送器准确度高，基本误差为±（0.2～1.0）%；重复性好，量程比通常为（6﹕1）～（10﹕1）；