渦(wō)輪流量計 的理論(lun)與實踐

一 前言

    傳(chuan)統 渦輪流量計隻(zhī)能用來測量低粘(zhān)度的液體流量，如(rú)水、汽油等。渦輪流(liu)量計制造廠一般(bān)也規定被測液體(ti)粘度不得大于5MPaS，否(fou)則将産生嚴重誤(wù)差。如何用傳統渦(wo)輪流量傳感器準(zhǔn)确測量液體粘度(du)大于5MPaS的液體流量(liang)，如原油、機械油等(děng)的流量，則會引起(qǐ)我們廣泛的重視(shì)。

    本研究采用LW型傳(chuan)統渦輪流量傳感(gan)器作爲研究對象(xiàng)，對其進行了廣泛(fan)的理論和實驗研(yán)究，得到了這種流(liu)量傳感器的介質(zhi)粘度補償模型，與(yǔ)此同時，我們還研(yán)制了具有粘度自(zi)動補償功能的渦(wō)輪流量計積算顯(xian)示儀表，這樣傳統(tong)渦輪流量傳感器(qi)，運用相應粘度補(bǔ)償模型，并配以本(běn)積算顯示儀表，就(jiù)可以實現對粘性(xing)液體的流量測量(liàng)。

                                二 介質粘性影響(xiang)試驗

Hochreiter(1) 和 Shafer(2)曾給出了(le)渦輪流量傳感介(jie)質粘性影響的物(wù)理模型。
 （1）
式中 
f---------傳感(gan)器發出的頻率；
Q-------- 瞬(shun)時流量；
v---------被測液體(ti)的運動粘度。
式（1）即(jí)稱爲“渦輪流量計(jì)的通用粘度曲線(xiàn)”。其中，Φ爲一多項式(shì)；Φ的形式必須通過(guo)實驗确定。
爲此，我(wǒ)們首先進行了介(jie)質粘性影響的試(shì)驗，試驗裝置如圖(tú)1所示。試驗介質粘(zhān)度變化範圍爲1～95.6MPaS；試(shì)驗渦輪流量傳感(gan)器的型号爲LW—25型。
 （2）
圖(tu)2給出了試驗結果(guǒ)。圖中K爲實際儀表(biǎo)常數 
E爲相同誤差(cha)，定義爲
 （3）
   由試驗結(jie)果知。當粘度達到(dao)8.91mm2/s及更大時，傳感器(qì)幾乎失去線性範(fan)圍，從圖中還可以(yi)看到，在較小流量(liàng)下，傳感器儀表常(chang)數随粘度變化較(jiào)大；而且，粘度越大(dà)，儀表常數越小，而(ér)在較大流量下，粘(zhān)度影響就小得多(duo)。從這個試驗結果(guǒ)說明，小流量時，介(jie)質粘性起着重要(yào)的作用，而在大流(liú)量下，粘度的作用(yòng)就顯得不重要了(le)。

                           三 正交多項式粘(zhān)度補償模型

由渦(wō)輪流量計的通用(yòng)粘度曲線模型知(zhi)，儀表常數僅取次(ci)于 f/v, 即
因此，我們将(jiang)試驗數據在單對(duì)數坐标紙上，以f/v作(zuò)爲橫坐标，重新作(zuò)圖，如圖3所示。結果(guǒ)發現，原來分散的(de)幾條粘度曲線合(hé)成一條曲線，這就(jiu)是通用粘度曲線(xiàn)。

我們采用任意步(bù)長的正交曲線拟(nǐ)合方法，将試驗數(shu)據重新按f/L方式整(zhěng)理，然後進行正交(jiāo)多項式拟合
式中(zhōng) 公式 均爲系數，計(jì)算方法參閱文獻(xiàn)（5）
經計算表明，對圖(tú)3所示通用粘度曲(qu)線可以進行分段(duàn)拟合，經分段正交(jiāo)曲線拟合的曲線(xiàn)如圖4、圖5所示。由圖(tu)可見，當f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲線(xiàn)接近水平直線，即(ji)這時儀表數爲 “常(cháng)數”。圖4、圖5曲線的公(gōng)式表達爲
以上就(jiu)是試驗渦輪流量(liàng)計的粘度補償模(mó)型。式中 δ 反映了模(mó)型計算的儀表常(chang)數偏離實際儀表(biǎo)常數的相對誤差(chà)。模型中，當f/L<30時，模型(xing)計算的儀表常數(shù)偏離實際值zui大值(zhi)爲2.03%，故該段曲線的(de)拟合精度爲±2.5%，而當(dāng)f/L≥30時，模型計算值偏(piān)離實際值zui大值爲(wei)0.96%，故若儀表在此區(qū)間工作，其精度可(kě)達±1%。
                               四 在線粘度補(bu)償

    爲了能使渦輪(lun)流量計實現在線(xiàn)自動粘度補償測(cè)量，我們同時還研(yan)制了粘度補償式(shi)渦輪流量計流量(liang)計算顯示儀表(以(yi)下簡稱儀表)儀表(biao)在實時測量前，隻(zhi)要輸入流體的粘(zhān)度v（單位爲mm2/S）即可進(jin)入測量狀态。模型(xíng)中的系數bj已固化(huà)在儀表中，儀表是(shì)一台以單片微機(ji)8031爲核心的流量積(ji)算顯示儀表。儀表(biǎo)的工作原理框圖(tu)如圖6所示。

儀表主(zhǔ)要技術指标如下(xià)；
（1） 适用傳感口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘(zhān)度補償範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補償(cháng)精度 ±1%。 ±2.5% （含傳感器誤(wù)差）
（4） 瞬時流量顯示(shì) 6 位十進制數 （m3/h ）
（5） 累積(ji)流量顯示 8 位十進(jin)整數， 7 位十進小數(shu)（m3）
（6） 模拟輸出 4～ 20 （mA）
   爲考核(hé)儀表的環境适應(yīng)能力，我們轉對儀(yí)表 中的微處理器(qi)震蕩頻率進行測(ce)試，内容包括；（1）芯片(piàn)電源電壓波動對(duì)頻率的影響；（2）環境(jing)溫度變化對頻率(lǜ)的影響；（3）時間對頻(pín)率的影響，測試時(shí)，将8031芯片及6MHz晶振等(děng)單元電路置于超(chao)級恒溫水浴中，外(wai)接一穩壓電源，數(shu)字電壓表，頻率計(jì)進行測試，測試結(jie)果表明，電壓漂移(yi)影響zui小。溫度影響(xiang)zui大。取置信度爲99.0%。三(san)者的相對極限誤(wù)差分别爲 δv=1.30×10-6% （電壓波(bō)動爲5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測試時(shí)間爲1小時）；δ=1.59×10-5%（溫度波(bō)動爲20～45℃），
   儀表每隔2秒(miao)對來自傳感器的(de)電脈沖進行處理(lǐ)。即按數學模型編(bian)程運算，取四字級(jí)浮點運算，經測試(shi)，運算誤差不大于(yu)5×10-5%。
   前置處理電路在(zai)正常輸入信号頻(pin)率範圍内，不會增(zēng)加總體測量誤差(chà)，因此，即使在zui壞工(gōng)作條件下，zui大相對(dui)誤差由以上三項(xiàng)誤差及軟件運算(suan)誤差δc合成而得，即(ji)

由此可見，所研制(zhì)的粘度補償式渦(wo)輪流量計 流量計(ji)算顯示儀表的整(zhěng)體精度優于10-6。

                               五 渦(wo)輪流量計的應用(yòng)

    早在60年代，國外就(jiu)将渦輪流量計用(yong)于石油工業領域(yù)中，對原油及其成(chéng)品油進行測量，例(lì)如英國北海油田(tián)就是應用渦輪流(liú)量計計量原油和(hé)水的流量，一般而(ér)言，适用于原油外(wài)輸計量的流量計(jì)，也僅爲渦輪流量(liang)計（或容積式流量(liàng)計），美國石油學會(hui)石油計量标準AP12534爲(wei)此制定了“用渦輪(lun)流量計計量液态(tai)烴”的計量标準。渦(wō)輪流量計之所以(yi)能夠廣泛地應用(yòng)于石油工業領域(yu)。是因爲渦輪流量(liang)計比其他形式的(de)流量計，如容積式(shì)流量計更突出的(de)優點，如渦輪流量(liang)計具有流量範圍(wéi)寬、結構緊湊、簡單(dān)、使用壽命長等優(yōu)點，更重要的是，渦(wo)輪流量計能夠經(jīng)受嚴重的脈動而(er)引起的超出流量(liàng)上限的流量，以及(jí)流量計不會因爲(wei)液體中所夾帶的(de)固體物從而導緻(zhi)管路系統的阻塞(sāi)，一般小顆粒物質(zhi)經過流量計時也(ye)不會引起損壞。但(dan)是，容積式流量計(jì)就不能容忍液體(tǐ)中夾帶固體顆粒(li)，這不僅會使流量(liàng)計發生故障，更嚴(yán)重的是，一旦流量(liang)計卡死不轉，将導(dǎo)緻液體的阻塞而(ér)引起系統過壓的(de)現象，因此我們相(xiang)信，渦輪流量計将(jiāng)會在石油工業領(ling)域，以及其他領域(yù)得到越來越廣泛(fàn)的應用。

    随着渦輪(lun)流量計在測量粘(zhan)性介質的流量方(fang)而得到越來越廣(guǎng)泛的應用，國内外(wài)對“渦輪流量計的(de)粘性介質測量”方(fang)面的研究也就越(yuè)來越将體現出其(qí)重要的價值和現(xian)實意義。