涡轮流量计工作原理及选型、安装

1 涡轮的工作原理

涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。

涡轮流量计的原理示意图如图3—1所示．在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑．当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克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，产生与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入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值．

涡轮流量计总体原理框用见图3—2所示．

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，送入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出瞬时流量和累积流量。

涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有与流量qv、流速V和流体密度ρ乘积成比例的力作用在叶片上，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，即： 其中，qv为流体的体积总量，N为变送器产生的脉动总数；ξ为流量系数。

ξ是涡轮变送器的重要特性参数，不同的仪表有不同的ξ，并随仪表长期使用的磨损情况而变化；其含义是单位体积流量通过变送器时，变送器的输出的脉冲数。

涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置于放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。

2．涡轮流量计的构造

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．

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，这方法的原理见图3—3所示．由于涡轮处直径DH略小于前后支架处直径Ds，所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静压上升△P，这个△P的静压将起到抵消部分轴向推力的作用．

图3－3 水力平衡原理示意图[page]

(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，示意图见图3—4所示．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．输出脉冲的频率与通过流量计的流量成正比，其比例系数K为

K = f / qv

式中 f――涡轮流量计输出脉冲频率；
qv——通过流量计的流量．

该比例系数亦称为涡轮流量计的仪表系数。

图3－4 涡轮流量计前置放大器原理图

(4)信号接收与显示

信号接收与显示器内系数校正器、加法器和频电转换器等组成，其作用是将从前置放大器送来的脉冲信号变换成累积流量和瞬时流量并显示．

2 涡轮流量计的选型

计本体最好选区用316不锈钢材料以防腐，如是防爆区还必须是防爆结果。

（2）轴承一般有炭化钨，聚四氟乙烯，碳石墨三种规格：碳化钨的精度最高，它作为工业控制的标准件；聚四氟乙烯，碳石墨能防腐，一般在化工场所优先考虑。轴承的寿命流速的平方成正反比，故流速最好的在最大流速的1/3速度比较好。

（3）感应探头是检测转动体的运动并把它转化为脉冲数字电信号，它电磁线圈电压输出值接近正弦曲线，脉冲信号的频率范围随测量的流量大小成线性变化，典型的范围为10:1，25:1 和100:1三种规格。

3涡轮流量计的安装

（1）变送器的电源线采用金属屏蔽线，接地要良好可靠。电源为直流24V，650Ω阻抗。
2）变送器应水平安装，避免垂直安装，并保证其前后有适应的直管段，一般前10D，后5D。
（3）保证流体的流动方向与仪表外壳的箭头方向一致，不得装反。
(4）被测介质对涡轮不能有腐蚀，特别是轴承处，否则应采取措施。
（5）注意对磁感应部分不能碰撞。

4涡轮流量计的组态与校正

标准的标定方法是十点水标定法，但黏度不同标定的值不同，故通常要做黏度标定曲线。

5涡轮流量计的显示仪表

显示仪表的任务是将单位时间输出脉冲数和输出脉冲总数转换成瞬流量和总流量，并显示出来。

由前放大器输出的脉冲信号，其幅值、波形都是不规则的，在进入显示仪表后，先需经整形电路整形成为有规则的具有一定幅值的矩形电脉冲信号民，再经过频率/电流转换电路，将频率信号变为相应的电流信号（4～20mA）再转换能瞬时流量值，总量由转换及积算电路得到。有的显示仪表就地显示，有的送DCS显示。

6注意事项

（1）安装涡轮流量计前，管道要清扫。被测介质不洁净时，要加过滤器。否则涡轮、轴承易被卡住，测不出流量来。

（2）拆装流量计时，对磁感应部分不能碰撞。

（3）投运前先进行仪表系数的设定。仔细检查，确定仪表接线无误，接地良好，方可送电。

（4）安装涡轮流量计时，前后管道法兰要水平，否则管道应力对流量计影响很大。

7发展前景

随着科学的不断发展，当今涡轮变送器已发展成小型化、高集成度的模块，设计，有强大的功能软件，并设有RS232标准计算机通信接口，对维护检修提供了方便。可与DCS连接通信，DCS替代了显示仪表，如HOFFER流量计在工业临近生产过程中更方便实用。

总之，涡轮流量计是一种速度式流量仪表，由于具有测量精度高，反应速度快，测量范围广，价格低廉，安装方便等优点，被广泛应用于化工生产中。