渦(wo)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(lái)測量低(dī)粘度的(de)液體流(liú)量，如水(shui)、汽油等(děng)。渦輪流(liú)量計制(zhì)造廠一(yi)般也規(guī)定被測(ce)液體粘(zhān)度不得(dé)大于5MPaS，否(fǒu)則将産(chan)生嚴重(zhong)誤差。如(ru)何用傳(chuán)統渦輪(lún)流量傳(chuan)感器準(zhun)确測量(liàng)液體粘(zhan)度大于(yu)5MPaS的液體(tǐ)流量，如(ru)原油、機(jī)械油等(děng)的流量(liàng)，則會引(yin)起我們(men)廣泛的(de)重視。

    本(běn)研究采(cǎi)用LW型傳(chuan)統渦輪(lun)流量傳(chuán)感器作(zuò)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(zhe)種流量(liàng)傳感器(qì)的介質(zhi)粘度補(bǔ)償模型(xíng)，與此同(tong)時，我們(men)還研制(zhì)了具有(yǒu)粘度自(zì)動補償(cháng)功能的(de)渦輪流(liu)量計積(jī)算顯示(shi)儀表，這(zhè)樣傳統(tǒng)渦輪流(liu)量傳感(gan)器，運用(yòng)相應粘(zhan)度補償(cháng)模型，并(bìng)配以本(běn)積算顯(xiǎn)示儀表(biǎo)，就可以(yǐ)實現對(duì)粘性液(yè)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(gei)出了渦(wo)輪流量(liang)傳感介(jiè)質粘性(xing)影響的(de)物理模(mo)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(ye)體的運(yùn)動粘度(dù)。
式（1）即稱(cheng)爲“渦輪(lun)流量計(ji)的通用(yong)粘度曲(qǔ)線”。其中(zhōng)，Φ爲一多(duō)項式；Φ的(de)形式必(bi)須通過(guò)實驗确(que)定。
爲此(cǐ)，我們首(shǒu)先進行(hang)了介質(zhi)粘性影(yǐng)響的試(shì)驗，試驗(yan)裝置如(rú)圖1所示(shi)。試驗介(jiè)質粘度(dù)變化範(fan)圍爲1～95.6MPaS；試(shi)驗渦輪(lún)流量傳(chuan)感器的(de)型号爲(wèi)LW—25型。
 （2）
圖2給(gei)出了試(shi)驗結果(guǒ)。圖中K爲(wei)實際儀(yí)表常數(shu) 
E爲相同(tong)誤差，定(dìng)義爲
 （3）
   由(yóu)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(tú)中還可(ke)以看到(dao)，在較小(xiǎo)流量下(xia)，傳感器(qi)儀表常(cháng)數随粘(zhān)度變化(huà)較大；而(ér)且，粘度(dù)越大，儀(yi)表常數(shù)越小，而(er)在較大(dà)流量下(xia)，粘度影(yǐng)響就小(xiǎo)得多。從(cóng)這個試(shì)驗結果(guo)說明，小(xiao)流量時(shí)，介質粘(zhān)性起着(zhe)重要的(de)作用，而(ér)在大流(liú)量下，粘(zhan)度的作(zuo)用就顯(xian)得不重(zhòng)要了。

                           三(sān) 正交多(duō)項式粘(zhān)度補償(cháng)模型

由(you)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(shi)驗數據(jù)在單對(dui)數坐标(biāo)紙上，以(yǐ)f/v作爲橫(heng)坐标，重(zhong)新作圖(tu)，如圖3所(suǒ)示。結果(guo)發現，原(yuan)來分散(sàn)的幾條(tiáo)粘度曲(qǔ)線合成(chéng)一條曲(qu)線，這就(jiù)是通用(yong)粘度曲(qǔ)線。

我們(men)采用任(ren)意步長(zhang)的正交(jiao)曲線拟(nǐ)合方法(fa)，将試驗(yàn)數據重(zhòng)新按f/L方(fang)式整理(lǐ)，然後進(jìn)行正交(jiāo)多項式(shi)拟合
式(shì)中 公式(shì) 均爲系(xi)數，計算(suan)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(zhan)度曲線(xian)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(rú)圖4、圖5所(suǒ)示。由圖(tú)可見，當(dang)f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲(qu)線接近(jìn)水平直(zhí)線，即這(zhe)時儀表(biao)數爲 “常(cháng)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(wō)輪流量(liàng)計的粘(zhān)度補償(cháng)模型。式(shì)中 δ 反映(ying)了模型(xíng)計算的(de)儀表常(chang)數偏離(li)實際儀(yi)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(zhi)zui大值爲(wèi)2.03%，故該段(duan)曲線的(de)拟合精(jing)度爲±2.5%，而(er)當f/L≥30時，模(mó)型計算(suan)值偏離(lí)實際值(zhi)zui大值爲(wei)0.96%，故若儀(yi)表在此(ci)區間工(gong)作，其精(jing)度可達(dá)±1%。
                               四 在線(xian)粘度補(bǔ)償

    爲了(le)能使渦(wo)輪流量(liang)計實現(xiàn)在線自(zi)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(liàng)計算顯(xiǎn)示儀表(biao)(以下簡(jiǎn)稱儀表(biǎo))儀表在(zài)實時測(cè)量前，隻(zhī)要輸入(rù)流體的(de)粘度v（單(dān)位爲mm2/S）即(ji)可進入(ru)測量狀(zhuang)态。模型(xíng)中的系(xì)數bj已固(gu)化在儀(yí)表中，儀(yí)表是一(yī)台以單(dan)片微機(jī)8031爲核心(xīn)的流量(liang)積算顯(xiǎn)示儀表(biǎo)。儀表的(de)工作原(yuan)理框圖(tú)如圖6所(suǒ)示。

儀表(biao)主要技(ji)術指标(biao)如下；
（1） 适(shì)用傳感(gan)口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘(zhan)度補償(chang)範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補(bu)償精度(du) ±1%。 ±2.5% （含傳感(gǎn)器誤差(cha)）
（4） 瞬時流(liu)量顯示(shi) 6 位十進(jìn)制數 （m3/h ）
（5） 累(lei)積流量(liàng)顯示 8 位(wei)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(biǎo)的環境(jìng)适應能(néng)力，我們(men)轉對儀(yí)表 中的(de)微處理(lǐ)器震蕩(dàng)頻率進(jin)行測試(shì)，内容包(bao)括；（1）芯片(pian)電源電(dian)壓波動(dòng)對頻率(lǜ)的影響(xiang)；（2）環境溫(wēn)度變化(huà)對頻率(lü)的影響(xiǎng)；（3）時間對(dui)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(shu)字電壓(ya)表，頻率(lü)計進行(háng)測試，測(cè)試結果(guo)表明，電(diàn)壓漂移(yi)影響zui小(xiao)。溫度影(yǐng)響zui大。取(qu)置信度(du)爲99.0%。三者(zhě)的相對(dui)極限誤(wù)差分别(bié)爲 δv=1.30×10-6% （電壓(ya)波動爲(wèi)5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測(cè)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(fú)點運算(suàn)，經測試(shì)，運算誤(wu)差不大(dà)于5×10-5%。
   前置(zhì)處理電(dian)路在正(zheng)常輸入(ru)信号頻(pín)率範圍(wéi)内，不會(hui)增加總(zǒng)體測量(liang)誤差，因(yin)此，即使(shǐ)在zui壞工(gong)作條件(jian)下，zui大相(xiang)對誤差(chà)由以上(shang)三項誤(wu)差及軟(ruan)件運算(suan)誤差δc合(he)成而得(dé)，即

由此(ci)可見，所(suo)研制的(de)粘度補(bu)償式渦(wo)輪流量(liàng)計 流量(liang)計算顯(xiǎn)示儀表(biao)的整體(ti)精度優(yōu)于10-6。

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

    早在(zai)60年代，國(guó)外就将(jiang)渦輪流(liú)量計用(yòng)于石油(yóu)工業領(lǐng)域中，對(dui)原油及(jí)其成品(pin)油進行(hang)測量，例(lì)如英國(guo)北海油(yóu)田就是(shì)應用渦(wō)輪流量(liàng)計計量(liang)原油和(he)水的流(liu)量，一般(bān)而言，适(shi)用于原(yuan)油外輸(shu)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(shí)油學會(huì)石油計(jì)量标準(zhun)AP12534爲此制(zhì)定了“用(yòng)渦輪流(liu)量計計(ji)量液态(tài)烴”的計(ji)量标準(zhǔn)。渦輪流(liú)量計之(zhī)所以能(neng)夠廣泛(fàn)地應用(yòng)于石油(yóu)工業領(lǐng)域。是因(yin)爲渦輪(lun)流量計(ji)比其他(ta)形式的(de)流量計(jì)，如容積(ji)式流量(liang)計更突(tū)出的優(you)點，如渦(wō)輪流量(liàng)計具有(you)流量範(fan)圍寬、結(jié)構緊湊(còu)、簡單、使(shi)用壽命(ming)長等優(you)點，更重(zhong)要的是(shi)，渦輪流(liu)量計能(néng)夠經受(shòu)嚴重的(de)脈動而(er)引起的(de)超出流(liú)量上限(xian)的流量(liàng)，以及流(liu)量計不(bú)會因爲(wèi)液體中(zhōng)所夾帶(dài)的固體(ti)物從而(er)導緻管(guǎn)路系統(tǒng)的阻塞(sāi)，一般小(xiao)顆粒物(wu)質經過(guo)流量計(ji)時也不(bú)會引起(qi)損壞。但(dàn)是，容積(ji)式流量(liang)計就不(bú)能容忍(rěn)液體中(zhōng)夾帶固(gu)體顆粒(li)，這不僅(jǐn)會使流(liu)量計發(fā)生故障(zhang)，更嚴重(zhong)的是，一(yī)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(tong)過壓的(de)現象，因(yīn)此我們(men)相信，渦(wo)輪流量(liàng)計将會(huì)在石油(yóu)工業領(lǐng)域，以及(ji)其他領(lǐng)域得到(dào)越來越(yuè)廣泛的(de)應用。

    随(sui)着渦輪(lún)流量計(jì)在測量(liàng)粘性介(jie)質的流(liú)量方而(er)得到越(yuè)來越廣(guang)泛的應(yīng)用，國内(nèi)外對“渦(wo)輪流量(liang)計的粘(zhān)性介質(zhì)測量”方(fang)面的研(yan)究也就(jiù)越來越(yuè)将體現(xiàn)出其重(zhong)要的價(jià)值和現(xian)實意義(yì)。