《建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 3-20葉輪式流量計

葉輪式流量計1.水表水表的主要特點是在于其傳感器和指示裝置均為機械式設計，且工作動力來自水流。常用的葉輪式水表根據(jù)水流特點可分為切線流葉輪式水表、豎式葉輪式水表和軸流式葉輪式水表。切線流葉輪式水表的水流沿切線流入表內(nèi)，驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)，由旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)測量通過表的流量。切線流葉輪式水表有單流束和多流束兩種形式（REF_Ref18134\h圖1），要水平安裝。單流束切線流葉輪式水表僅有一層外殼，只有一束水流來推動內(nèi)部的葉輪旋轉(zhuǎn)。該水表結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于小管徑的管道。多流束切線流葉輪式水表的外殼內(nèi)另有測量室，水流通過測量室周圍上分布的小孔均勻地以切線方向推動內(nèi)部的葉輪旋轉(zhuǎn)。該水表測量精度高、葉輪偏磨耗小、安裝所需直管段短，適用于中、小管徑的管道。豎式葉輪式水表的水流方向與葉輪的轉(zhuǎn)動軸垂直，水流從下面向上推動葉輪旋轉(zhuǎn)。該表啟動流量小、壓力損失小，要水平安裝，適用于中、小管徑的管道。軸流式葉輪式水表的水流方向與葉輪的轉(zhuǎn)動軸平行，壓力損失小，能夠以任何位置安裝，適用于大管徑的管道。葉輪的旋轉(zhuǎn)由齒輪機構(gòu)來減速，并傳給流量指示部分。流量指示部分處于水中的稱為濕式水表，流量指示部分處于空氣中的稱為干式水表。濕式水表不需要密封水，結(jié)構(gòu)簡單，但水中雜質(zhì)易污染表刻度盤，且難于實現(xiàn)流量信號的遠傳。干式水表不存在水中雜質(zhì)污染表刻度盤問題，容易實現(xiàn)流量信號的遠傳。遠傳水表的信號有兩類，一類是包括代表實時流量的開關信號、脈沖信號、數(shù)字信號等，傳感器一般用干簧管或霍爾元件。另一類代表累計流量的數(shù)字信號和經(jīng)編碼的其他電信號等。遠傳輸出的方式包括有線和無線。（a）單流束（b）多流束圖1切線流葉輪式水表水表的特性曲線如REF_Ref18369\h圖2。圖中qVmin為水表保證最大誤差時所要求的最小流量；qVt為水表從最大誤差區(qū)域向最小誤差區(qū)域過渡的分界流量；qVmax為水表保證最小誤差時所要求的最大流量；qVn為水表的最大持續(xù)工作流量，也稱為公稱流量。圖2水表的特性曲線2.渦輪流量計渦輪流量計由渦輪流量傳感器和顯示儀器組成，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，讀數(shù)直觀清晰、信號能遠距離傳送，可靠性高、不受外界電源干擾、耐高壓，精度高、反應快、量程寬、線性好，壓力損失小等諸多優(yōu)點，目前已在石油、化工、科研、國防、計量各個部門中得到廣泛應用。液化石油氣、成品油和輕質(zhì)原油等的轉(zhuǎn)運及集輸站，大型原油輸送管線的首末站都大量采用它進行貿(mào)易結(jié)算。渦輪流量變送器的結(jié)構(gòu)如REF_Ref19821\h圖3所示。它由導流器3、8與軸向渦輪葉片5、磁電轉(zhuǎn)換裝置6和放大器等組成。當流體通過傳感器時，在流體作用下，渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，由磁性材料制成的渦輪葉片通過固定在殼體上的永久磁鋼時，磁路中的磁阻發(fā)生周期性變化，從而感生出交流電脈沖信號，該信號的頻率與被測流體的體積流量成正比。磁—電轉(zhuǎn)換器的輸出信號經(jīng)放大后，輸出至顯示儀表，進行流量指示和計算。圖3渦輪流量變送器構(gòu)造1—緊固環(huán)；2—殼體；3—前導流器；4—止推片；5—渦輪葉片；6—磁-電轉(zhuǎn)換器；7—軸承；8—后導流器在測量范圍內(nèi)，傳感器輸出脈沖數(shù)與流量成正比，其比值稱為儀表常數(shù)，用K（次/m3）表示。每一臺渦輪流量傳感器都有經(jīng)過實際校驗測得的儀表常數(shù)。測得脈沖信號的頻率，便可以利用REF_Ref19736\h式（1）求出流體的流量。 qV=fK式中qV——體積流量，F(xiàn)——檢測線圈感應出的電脈沖信號頻率，次/s。渦輪流量計的儀表常數(shù)與流量（或者雷諾數(shù)）的關系如REF_Ref6915\h圖4所示。由圖可見，理想的K-qv特性應為一水平直線。實際特性曲線可以分為線性區(qū)和非線性區(qū)。在線性區(qū)儀表常數(shù)近似看作線性。線性區(qū)約為其工作區(qū)的2/3，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體黏性有關。在非線性區(qū)，特性受軸承摩擦力，流體黏性力影響較大。當流量低于傳感器流量下限時，儀表常數(shù)隨著流量迅速變化，在層流與紊流的過渡區(qū)域中（Re=2300左右），流動狀態(tài)由紊流變?yōu)閷恿鲿r，由于層流狀態(tài)的流體黏滯摩擦力矩小于紊流狀態(tài)的流體黏滯摩擦力矩，渦輪的轉(zhuǎn)速升高，此時特性曲線呈現(xiàn)出高峰（通常處在流量上限的20%～35%處）。儀表適用的流量范圍，應在特性曲線的線性部分，要求K的線性度在±0.5%以內(nèi)，復現(xiàn)性在±0.1%以內(nèi)。變送器最好工作在流量上限的50%以上，這樣，不至于工作在特性曲線的非線性區(qū)，而造成較大的測量誤差。當流量超過流量上限時，要注意防止空穴現(xiàn)象。圖4渦輪流量計特性曲線渦輪流量傳感器與顯示儀表的連接結(jié)構(gòu)有一體式（傳感器與變送器組合成一體）和分體式兩種。渦輪流量傳感器有短管型（REF_Ref20363\h圖5）和插入型。插入型適用于大型管道，測量精度遠低于短管型，通常用于過程控制，不適用于貿(mào)易核算計量。圖5渦旋流量變送器結(jié)構(gòu)圖1—緊固環(huán)；2—殼體；3—前導流器；4—止推器；5—渦輪葉片；6—磁-電轉(zhuǎn)換器；7—軸承；8—后導流器渦輪流量傳感器必須水平安裝，其上游應裝過濾器，它對管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流特別敏感，要求進入傳感器的流體應為充分發(fā)展管流，傳感器上游側(cè)應根據(jù)阻力件類型配備直管段（REF_Ref10768\h表1）。如果上游側(cè)阻力件情況不明，一般推薦上游側(cè)應有20D（變送器公稱直徑）的直管段；下游側(cè)應有5D的直管段。否則需用整流器整流。傳感器上游側(cè)的截斷閥應全開，流量調(diào)節(jié)閥應安裝在傳感器下游側(cè)。為保證通過流量變送器的流體是單相流，必要時需裝消氣器并保證下游具有一定的背壓。表1渦輪流量計所要求的最短直管段長度上游側(cè)阻流件類型單個90°彎頭在同一平面上的兩個90°彎頭在不同平面上的兩個90°彎頭同心漸縮管全開閥門半開閥門下游側(cè)長度L/D2025401520505渦輪流量變送器準確度高，基本誤差為±（0.2～1.0）%；重復性好，量程比通常為（6﹕1）～（10﹕1）；