江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明
基于與人類歷史一樣古老的原理再結(jié)合運(yùn)用新的技術(shù)，可有效提高渦輪流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性、可重復(fù)性及可靠性。
可用尺寸至12英寸 （ 300毫米）且能適應(yīng) 10,000 psi （689巴）過程壓強(qiáng)及 1,000 βF（538℃）過程溫度的渦輪流量計(jì)，適用于化工、石化、制藥及食品飲料等行業(yè)應(yīng)用。
渦輪流量計(jì)的基本構(gòu)造是安裝在流體管中的一個(gè)裝有葉片的轉(zhuǎn)子（參見圖1）。隨著流體（氣體或液體）介質(zhì)流過轉(zhuǎn)子葉片，即在每一葉片背面形成一個(gè)低壓區(qū)，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)
影響性能的因素
基本渦輪流量計(jì)技術(shù)已至少有10年時(shí)間沒有什么變化，因此人們積累了大量有關(guān)可影響其性能的知識(shí)。
正是這些不斷累積的知識(shí)，使渦輪流量計(jì)變得高度可重復(fù)，而且比任何其他流量計(jì)都被更多地用作標(biāo)準(zhǔn)儀表（基準(zhǔn)儀表）。
在流體測(cè)量應(yīng)用中，影響渦輪流量計(jì)性能的關(guān)鍵因素包括：
■空化
■流體比重
■粘度
當(dāng)流體壓強(qiáng)非常接近其真空壓強(qiáng)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生泡沫并破裂，這種物理現(xiàn)象即所謂的“空化”，它能給管道及設(shè)備（包括渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片）帶來嚴(yán)重的損壞。
當(dāng)液體通過渦輪轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，其速度會(huì)增加并在葉片背面形成一個(gè)低壓區(qū)。當(dāng)該低壓區(qū)壓強(qiáng)低于流體真空壓強(qiáng)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生泡沫。隨著泡沫向下游運(yùn)動(dòng)，壓力逐漸恢復(fù)并使泡沫破裂（返回至液體狀態(tài)）。真空泡沫破裂會(huì)釋放出能量，并產(chǎn)生類似于砂礫流過管道時(shí)所發(fā)出的噪音。當(dāng)能量在靠近固體表面處釋放時(shí)，會(huì)將少量材料磨掉，留下粗糙、類似于煤渣的表面。
除磨損外，空化還會(huì)使轉(zhuǎn)子速度加快（比正常液體流動(dòng)條件下的轉(zhuǎn)速更快），這樣就會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的測(cè)量信號(hào)。
“將系統(tǒng)背壓保持在流量計(jì)壓強(qiáng)下降量兩倍加產(chǎn)品真空壓強(qiáng)25倍上，可有效地避免渦輪流量計(jì)產(chǎn)生空化”，Sponsler公司銷售與開發(fā)工程師Barry Ellison說。
流體比重是影響轉(zhuǎn)子葉片上微分壓強(qiáng)的另一因素。隨著流體比重的降低，壓強(qiáng)微分值也隨之減少。比重及流速很低的流體會(huì)在轉(zhuǎn)子葉片上產(chǎn)生很低的微分壓強(qiáng)，因此只有很少的能量能用來推動(dòng)轉(zhuǎn)子。
渦輪流量計(jì)廠商一般通過增加轉(zhuǎn)子葉片傾角來對(duì)低比重及低流速流體條件進(jìn)行補(bǔ)償。
第三種性能影響因素是流體粘度。由于粘度是一項(xiàng)代表液體流動(dòng)阻力的指標(biāo)，因此它對(duì)流量計(jì)性能的影響發(fā)生在儀表定子與轉(zhuǎn)子葉片及軸承之間的空隙內(nèi)。渦輪流量計(jì)廠商一般會(huì)用幾種方式來補(bǔ)償粘度對(duì)流量計(jì)性能的影響，包括調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的形狀及長度，和/或?yàn)檗D(zhuǎn)子增加一層覆蓋等。
渦輪流量計(jì)廠商對(duì)每一種性能影響因素都非常清楚，并且一般都會(huì)用物理設(shè)計(jì)調(diào)整和/或修改儀表K因子等手段來進(jìn)行補(bǔ)償（其中K代表知識(shí)極限，并且是一種通常用來表示校正因子未知或難以表示效應(yīng)的可接受方式）。
軸承選擇
有多種形式的軸承可供渦輪流量計(jì)選用，包括金屬及陶瓷滾珠軸承以及套筒式碳化鎢及陶瓷滾珠軸承等。
滾珠軸承通常具有zui高的精度、zui低的成本及zui寬的使用范圍，因此它被用于眾多流體中。而碳化鎢及陶瓷滾珠軸承則在維修兼容流體中擁有zui高的耐用性。
由于流體一般都能為軸承提供一定程度上的潤滑，因此它所提供的高自然潤滑可延長軸承的使用壽命。
對(duì)于那些流體只能為軸承提供較少或*不能提供自然潤滑的應(yīng)用，則可使用Hoffer流量控制公司提供的帶自潤滑陶瓷滾珠軸承的單元。
無論流體是否能為渦輪流量計(jì)軸承提供潤滑，廠商們都能采用各種不同技術(shù)來使軸承磨損zui小。例如，滾珠軸承單元所包含的非金屬軸承護(hù)圈、硬度*的碳化鎢及陶瓷滾珠等，都能使軸承的使用壽命延長。
軸承壽命與軸承速度平方近似成反比，因此，為延長渦輪流量計(jì)的使用壽命，能讓流量計(jì)工作在較低流速上。例如，如果流量計(jì)在其zui大流速的33%上工作，則軸承壽命大約可提高10倍。
對(duì)于采用滾珠軸承的流量計(jì)，建議每半年對(duì)軸承進(jìn)行一次檢查。
安裝影響
像大多數(shù)流量計(jì)一樣，渦輪流量計(jì)的精度絕大部分取決于正確的安裝以及能否確保不產(chǎn)生漩渦的運(yùn)行條件。甚至在恒定流速上，漩渦都能改變流體沖擊轉(zhuǎn)子葉片的角度，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并因此而改變液體流速指示。
通過在渦輪流量計(jì)上、下游中安裝足夠長度的流體直通，可減少甚至*消除漩渦效應(yīng)。流體直通是一種直管與校正葉片的組合，或者像Vortab公司的流量調(diào)理器這樣的裝置。用于液體流量測(cè)量應(yīng)用的渦輪流量計(jì)，在水平及垂直兩個(gè)方向上都能很好地使用，但氣體流量測(cè)量應(yīng)用則一般只要求流量計(jì)在垂直方向上具有的測(cè)量指標(biāo)。
當(dāng)在斷續(xù)液體應(yīng)用中使用時(shí)，建議將渦輪流量計(jì)安裝在管道中的較低位置上。
渦輪流量計(jì)一般設(shè)計(jì)用于干凈的流體應(yīng)用中。在可能存在固體的應(yīng)用中，建議安裝篩網(wǎng)或過濾器。但由于篩網(wǎng)或過濾器容易產(chǎn)生漩渦，因此建議將其安裝在直通路徑中的上游位置。
信號(hào)輸出
渦輪流量計(jì)所產(chǎn)生的信號(hào)，是一種峰－峰值電壓脈沖，而產(chǎn)生脈沖zui常用的方法是利用磁阻原理。
在磁阻原理方法中，感應(yīng)線圈外包一層永磁體，并被安裝在流量計(jì)外面緊靠轉(zhuǎn)子的部位。而轉(zhuǎn)子上的每一個(gè)葉片，當(dāng)它轉(zhuǎn)過線圈時(shí)都會(huì)引起磁場(chǎng)偏斜，而這種磁阻變化又會(huì)在感應(yīng)線圈中激起電壓脈沖。
在過去幾年中，電子技術(shù)的使用極大地提高了渦輪流量計(jì)的性能，例如，每秒計(jì)算數(shù)千個(gè)脈沖的能力就能極大地提高流量計(jì)的測(cè)量精度及范圍。
當(dāng)安裝在電氣噪音環(huán)境中、或當(dāng)渦輪流量計(jì)與電子設(shè)備之間的距離超過200英尺時(shí)，則有必要進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)調(diào)整。
應(yīng)用舉例
除液體或氣體渦輪流量計(jì)較為傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用外，Hoffer、Omega Engineering及Sponsler等公司也在成功地將其用于一些不太傳統(tǒng)的應(yīng)用中，例如：
■ Viking Yachts公司生產(chǎn)各種遠(yuǎn)洋游艇，由于擔(dān)心在危險(xiǎn)海域遇到燃料耗盡情況，因此Viking公司需要為其客戶提供有關(guān)游艇航程的準(zhǔn)確信息。在Sponsler公司幫助下，Viking公司現(xiàn)在已能準(zhǔn)確地測(cè)量出游艇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工作條件下的油耗情況，從而可幫助確保船長在不耗盡燃料的情況下安全進(jìn)港。
■ 將奶制品從牛奶場(chǎng)輸送至儲(chǔ)罐中，要求進(jìn)行及可重復(fù)的密封輸送測(cè)量，并且還要求有很高的衛(wèi)生條件。Omega公司的FTB系列及Sponsler公司的SP714，即是適合上述應(yīng)用的及衛(wèi)生的渦輪流量計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)即考慮到無需拆卸即能對(duì)內(nèi)部元件進(jìn)行*的清潔。
■ zui大的石油天然氣儲(chǔ)量是在海底，但要探明這些儲(chǔ)量，需面臨深度超過10,000英尺、內(nèi)部工作壓強(qiáng)超過10,000psi、外部壓強(qiáng)超過5,000 psi以及溫度低于32 鸉的*挑戰(zhàn)。
Hoffer公司正在用專門設(shè)計(jì)的5/8及4英寸渦輪流量計(jì)來應(yīng)對(duì)這些*的海底應(yīng)用挑戰(zhàn)。迄今為止，渦輪流量計(jì)仍然是一種zui為流行的流量測(cè)量方式，原因何在?因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁?br /> ■ 寬測(cè)量范圍；
■ 出色的精度及低成本；
■ 允許與眾多過程流量一起使用的制造材料；
■ 結(jié)構(gòu)簡單耐用且能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修；
■ 與用于流量控制及計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口的相關(guān)電子讀取設(shè)備連接的靈活性；
■ 寬范圍過程連接；
■ 寬工作溫度及壓強(qiáng)等。
蹼輪流量計(jì)是一種低成本替代方案 當(dāng)精度不那么重要時(shí)，蹼輪（Paddlewheel）流量計(jì)是較為昂貴的渦輪流量計(jì)的一種低成本替代方案?？捎糜诓迦胧皆O(shè)計(jì)的蹼輪流量計(jì)傳感器，可適應(yīng)達(dá)36英寸（914 毫米）的尺寸。
采用插入式設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子及槳葉與液體流向保持垂直而不是平行。插入式設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)是，它使蹼輪能容忍顆粒通過，因此很少需要使用篩網(wǎng)及過濾器。由于槳葉只與一小部分流量截面接觸，因此轉(zhuǎn)子的插入深度以及確保適當(dāng)?shù)慕佑|截面，對(duì)于保證流量計(jì)的測(cè)量精度及可重復(fù)性非常關(guān)鍵。為確保合適的插入深度及轉(zhuǎn)子方向，大多數(shù)蹼輪流量計(jì)生產(chǎn)商都提供專門設(shè)計(jì)的安裝裝置。
粘度改變時(shí)該怎么辦？
從理論上講，當(dāng)流體粘度改變時(shí)，可使用容積流量計(jì)，但如果使用渦輪流量計(jì)的話，則多數(shù)廠商都開發(fā)了用于特定儀表的粘度校準(zhǔn)曲線（Special Viscosity Calibration Curve, SVCC）。
開發(fā)SVCC要求用一系列粘度來對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)-- 一般需用3到4種。每一條粘度曲線都代表流量計(jì)的特定性能，并可用來開發(fā)一個(gè)安裝在基于計(jì)算機(jī)的控制器或監(jiān)控系統(tǒng)中的多項(xiàng)式方程。
另外，還需將一個(gè)溫度傳感器安裝在流體中，并與控制或監(jiān)視系統(tǒng)連接。
根據(jù)溫度傳感器的輸入，再將適當(dāng)?shù)腟VCC應(yīng)用到渦輪流量計(jì)的輸出值中，即可獲得流體粘度調(diào)整流速。
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