渦(wō)輪流量(liàng)計 的理(li)論與實(shi)踐

一 前(qian)言

    傳統(tong) 渦輪流(liu)量計隻(zhī)能用來(lai)測量低(di)粘度的(de)液體流(liú)量，如水(shui)、汽油等(děng)。渦輪流(liu)量計制(zhì)造廠一(yī)般也規(gui)定被測(ce)液體粘(zhān)度不得(de)大于5MPaS，否(fou)則将産(chǎn)生嚴重(zhòng)誤差。如(ru)何用傳(chuán)統渦輪(lun)流量傳(chuan)感器準(zhun)确測量(liàng)液體粘(zhān)度大于(yú)5MPaS的液體(ti)流量，如(ru)原油、機(jī)械油等(deng)的流量(liàng)，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(lun)流量傳(chuán)感器作(zuò)爲研究(jiu)對象，對(duì)其進行(hang)了廣泛(fàn)的理論(lun)和實驗(yàn)研究，得(de)到了這(zhè)種流量(liang)傳感器(qì)的介質(zhì)粘度補(bǔ)償模型(xing)，與此同(tóng)時，我們(men)還研制(zhì)了具有(yǒu)粘度自(zì)動補償(chang)功能的(de)渦輪流(liu)量計積(ji)算顯示(shì)儀表，這(zhè)樣傳統(tong)渦輪流(liú)量傳感(gan)器，運用(yong)相應粘(zhan)度補償(cháng)模型，并(bing)配以本(ben)積算顯(xian)示儀表(biǎo)，就可以(yi)實現對(duì)粘性液(ye)體的流(liu)量測量(liang)。

                                二 介質(zhì)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(yùn)動粘度(du)。
式（1）即稱(cheng)爲“渦輪(lún)流量計(ji)的通用(yong)粘度曲(qǔ)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(què)定。
爲此(ci)，我們首(shou)先進行(háng)了介質(zhì)粘性影(yǐng)響的試(shi)驗，試驗(yan)裝置如(ru)圖1所示(shi)。試驗介(jiè)質粘度(dù)變化範(fàn)圍爲1～95.6MPaS；試(shì)驗渦輪(lun)流量傳(chuán)感器的(de)型号爲(wei)LW—25型。
 （2）
圖2給(gěi)出了試(shi)驗結果(guo)。圖中K爲(wèi)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(dang)粘度達(dá)到8.91mm2/s及更(gèng)大時，傳(chuán)感器幾(jǐ)乎失去(qu)線性範(fan)圍，從圖(tu)中還可(kě)以看到(dao)，在較小(xiao)流量下(xia)，傳感器(qi)儀表常(cháng)數随粘(zhān)度變化(hua)較大；而(ér)且，粘度(dù)越大，儀(yí)表常數(shu)越小，而(er)在較大(da)流量下(xià)，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(shí)，介質粘(zhan)性起着(zhe)重要的(de)作用，而(ér)在大流(liú)量下，粘(zhan)度的作(zuò)用就顯(xian)得不重(zhòng)要了。

                           三(san) 正交多(duo)項式粘(zhān)度補償(cháng)模型

由(yóu)渦輪流(liú)量計的(de)通用粘(zhān)度曲線(xiàn)模型知(zhi)，儀表常(cháng)數僅取(qu)次于 f/v, 即(ji)
因此，我(wo)們将試(shì)驗數據(jù)在單對(duì)數坐标(biāo)紙上，以(yi)f/v作爲橫(heng)坐标，重(zhong)新作圖(tu)，如圖3所(suǒ)示。結果(guǒ)發現，原(yuan)來分散(san)的幾條(tiáo)粘度曲(qu)線合成(cheng)一條曲(qǔ)線，這就(jiu)是通用(yong)粘度曲(qu)線。

我們(men)采用任(rèn)意步長(zhǎng)的正交(jiāo)曲線拟(nǐ)合方法(fa)，将試驗(yàn)數據重(zhong)新按f/L方(fāng)式整理(lǐ)，然後進(jin)行正交(jiao)多項式(shì)拟合
式(shi)中 公式(shì) 均爲系(xi)數，計算(suàn)方法參(can)閱文獻(xian)（5）
經計算(suan)表明，對(duì)圖3所示(shi)通用粘(zhān)度曲線(xian)可以進(jìn)行分段(duan)拟合，經(jīng)分段正(zheng)交曲線(xiàn)拟合的(de)曲線如(ru)圖4、圖5所(suǒ)示。由圖(tú)可見，當(dang)f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲(qǔ)線接近(jin)水平直(zhí)線，即這(zhe)時儀表(biǎo)數爲 “常(cháng)數”。圖4、圖(tu)5曲線的(de)公式表(biǎo)達爲
以(yi)上就是(shì)試驗渦(wo)輪流量(liàng)計的粘(zhan)度補償(chang)模型。式(shi)中 δ 反映(yìng)了模型(xing)計算的(de)儀表常(chang)數偏離(li)實際儀(yi)表常數(shu)的相對(dui)誤差。模(mó)型中，當(dāng)f/L<30時，模型(xing)計算的(de)儀表常(cháng)數偏離(li)實際值(zhí)zui大值爲(wèi)2.03%，故該段(duan)曲線的(de)拟合精(jing)度爲±2.5%，而(ér)當f/L≥30時，模(mó)型計算(suàn)值偏離(li)實際值(zhí)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(wo)輪流量(liàng)計實現(xiàn)在線自(zì)動粘度(dù)補償測(ce)量，我們(men)同時還(hái)研制了(le)粘度補(bu)償式渦(wo)輪流量(liang)計流量(liang)計算顯(xian)示儀表(biao)(以下簡(jian)稱儀表(biao))儀表在(zai)實時測(cè)量前，隻(zhi)要輸入(rù)流體的(de)粘度v（單(dan)位爲mm2/S）即(ji)可進入(rù)測量狀(zhuàng)态。模型(xing)中的系(xì)數bj已固(gu)化在儀(yi)表中，儀(yi)表是一(yi)台以單(dan)片微機(jī)8031爲核心(xīn)的流量(liang)積算顯(xian)示儀表(biao)。儀表的(de)工作原(yuán)理框圖(tu)如圖6所(suo)示。

儀表(biao)主要技(ji)術指标(biāo)如下；
（1） 适(shi)用傳感(gǎn)口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘(zhān)度補償(chang)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(lèi)積流量(liàng)顯示 8 位(wei)十進整(zheng)數， 7 位十(shi)進小數(shù)（m3）
（6） 模拟輸(shū)出 4～ 20 （mA）
   爲考(kao)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(dàng)頻率進(jin)行測試(shi)，内容包(bāo)括；（1）芯片(piàn)電源電(diàn)壓波動(dong)對頻率(lǜ)的影響(xiang)；（2）環境溫(wēn)度變化(huà)對頻率(lü)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(dian)路置于(yú)超級恒(heng)溫水浴(yu)中，外接(jiē)一穩壓(yā)電源，數(shù)字電壓(ya)表，頻率(lǜ)計進行(háng)測試，測(ce)試結果(guǒ)表明，電(diàn)壓漂移(yí)影響zui小(xiǎo)。溫度影(ying)響zui大。取(qǔ)置信度(dù)爲99.0%。三者(zhe)的相對(dui)極限誤(wu)差分别(bie)爲 δv=1.30×10-6% （電壓(yā)波動爲(wei)5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測(cè)試時間(jian)爲1小時(shi)）；δ=1.59×10-5%（溫度波(bō)動爲20～45℃），
   儀(yí)表每隔(gé)2秒對來(lái)自傳感(gan)器的電(dian)脈沖進(jin)行處理(li)。即按數(shù)學模型(xíng)編程運(yun)算，取四(sì)字級浮(fu)點運算(suàn)，經測試(shi)，運算誤(wù)差不大(da)于5×10-5%。
   前置(zhì)處理電(diàn)路在正(zhèng)常輸入(ru)信号頻(pin)率範圍(wei)内，不會(hui)增加總(zǒng)體測量(liàng)誤差，因(yīn)此，即使(shǐ)在zui壞工(gong)作條件(jiàn)下，zui大相(xiàng)對誤差(chà)由以上(shàng)三項誤(wù)差及軟(ruǎn)件運算(suàn)誤差δc合(hé)成而得(dé)，即

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

                               五 渦(wo)輪流量(liàng)計的應(ying)用

    早在(zài)60年代，國(guó)外就将(jiāng)渦輪流(liú)量計用(yòng)于石油(yóu)工業領(ling)域中，對(duì)原油及(jí)其成品(pǐn)油進行(hang)測量，例(lì)如英國(guo)北海油(you)田就是(shì)應用渦(wo)輪流量(liang)計計量(liàng)原油和(hé)水的流(liu)量，一般(bān)而言，适(shi)用于原(yuan)油外輸(shū)計量的(de)流量計(ji)，也僅爲(wèi)渦輪流(liu)量計（或(huo)容積式(shì)流量計(ji)），美國石(shi)油學會(huì)石油計(ji)量标準(zhǔn)AP12534爲此制(zhi)定了“用(yong)渦輪流(liú)量計計(ji)量液态(tài)烴”的計(ji)量标準(zhun)。渦輪流(liú)量計之(zhī)所以能(néng)夠廣泛(fàn)地應用(yong)于石油(yóu)工業領(ling)域。是因(yīn)爲渦輪(lún)流量計(jì)比其他(tā)形式的(de)流量計(jì)，如容積(jī)式流量(liàng)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(jié)構緊湊(cou)、簡單、使(shǐ)用壽命(mìng)長等優(yōu)點，更重(zhòng)要的是(shì)，渦輪流(liu)量計能(néng)夠經受(shou)嚴重的(de)脈動而(ér)引起的(de)超出流(liu)量上限(xiàn)的流量(liàng)，以及流(liú)量計不(bú)會因爲(wèi)液體中(zhōng)所夾帶(dài)的固體(ti)物從而(ér)導緻管(guǎn)路系統(tong)的阻塞(sai)，一般小(xiǎo)顆粒物(wù)質經過(guo)流量計(ji)時也不(bú)會引起(qǐ)損壞。但(dàn)是，容積(ji)式流量(liang)計就不(bu)能容忍(ren)液體中(zhong)夾帶固(gù)體顆粒(lì)，這不僅(jǐn)會使流(liú)量計發(fa)生故障(zhang)，更嚴重(zhòng)的是，一(yi)旦流量(liàng)計卡死(si)不轉，将(jiāng)導緻液(ye)體的阻(zu)塞而引(yin)起系統(tong)過壓的(de)現象，因(yin)此我們(men)相信，渦(wo)輪流量(liàng)計将會(hui)在石油(you)工業領(ling)域，以及(ji)其他領(lǐng)域得到(dao)越來越(yuè)廣泛的(de)應用。

    随(sui)着渦輪(lún)流量計(ji)在測量(liang)粘性介(jie)質的流(liú)量方而(er)得到越(yue)來越廣(guǎng)泛的應(yīng)用，國内(nei)外對“渦(wō)輪流量(liang)計的粘(zhan)性介質(zhi)測量”方(fang)面的研(yan)究也就(jiu)越來越(yue)将體現(xiàn)出其重(zhong)要的價(jià)值和現(xiàn)實意義(yì)。