渦(wo)輪流量(liang)計 的理(lǐ)論與實(shi)踐

一 前(qián)言

    傳統(tǒng) 渦輪流(liu)量計隻(zhī)能用來(lai)測量低(di)粘度的(de)液體流(liu)量，如水(shuǐ)、汽油等(deng)。渦輪流(liu)量計制(zhì)造廠一(yī)般也規(guī)定被測(ce)液體粘(zhan)度不得(dé)大于5MPaS，否(fou)則将産(chǎn)生嚴重(zhong)誤差。如(rú)何用傳(chuan)統渦輪(lún)流量傳(chuán)感器準(zhun)确測量(liang)液體粘(zhān)度大于(yú)5MPaS的液體(tǐ)流量，如(ru)原油、機(ji)械油等(deng)的流量(liàng)，則會引(yǐn)起我們(men)廣泛的(de)重視。

    本(ben)研究采(cai)用LW型傳(chuán)統渦輪(lun)流量傳(chuán)感器作(zuo)爲研究(jiu)對象，對(duì)其進行(hang)了廣泛(fàn)的理論(lun)和實驗(yan)研究，得(dé)到了這(zhe)種流量(liàng)傳感器(qì)的介質(zhi)粘度補(bu)償模型(xíng)，與此同(tong)時，我們(men)還研制(zhi)了具有(you)粘度自(zì)動補償(chang)功能的(de)渦輪流(liú)量計積(ji)算顯示(shì)儀表，這(zhe)樣傳統(tong)渦輪流(liú)量傳感(gan)器，運用(yòng)相應粘(zhan)度補償(cháng)模型，并(bìng)配以本(ben)積算顯(xian)示儀表(biao)，就可以(yǐ)實現對(dui)粘性液(ye)體的流(liú)量測量(liàng)。

                                二 介質(zhì)粘性影(yǐng)響試驗(yan)

Hochreiter(1) 和 Shafer(2)曾給(gei)出了渦(wō)輪流量(liang)傳感介(jie)質粘性(xìng)影響的(de)物理模(mo)型。
 （1）
式中(zhōng) 
f---------傳感器(qì)發出的(de)頻率；
Q-------- 瞬(shun)時流量(liàng)；
v---------被測液(ye)體的運(yun)動粘度(du)。
式（1）即稱(chēng)爲“渦輪(lún)流量計(jì)的通用(yong)粘度曲(qǔ)線”。其中(zhōng)，Φ爲一多(duo)項式；Φ的(de)形式必(bì)須通過(guò)實驗确(que)定。
爲此(ci)，我們首(shǒu)先進行(háng)了介質(zhi)粘性影(yǐng)響的試(shi)驗，試驗(yan)裝置如(rú)圖1所示(shi)。試驗介(jie)質粘度(du)變化範(fan)圍爲1～95.6MPaS；試(shì)驗渦輪(lún)流量傳(chuan)感器的(de)型号爲(wèi)LW—25型。
 （2）
圖2給(gěi)出了試(shi)驗結果(guo)。圖中K爲(wei)實際儀(yí)表常數(shù) 
E爲相同(tóng)誤差，定(ding)義爲
 （3）
   由(yóu)試驗結(jié)果知。當(dang)粘度達(dá)到8.91mm2/s及更(geng)大時，傳(chuán)感器幾(ji)乎失去(qù)線性範(fàn)圍，從圖(tu)中還可(ke)以看到(dào)，在較小(xiao)流量下(xià)，傳感器(qi)儀表常(chang)數随粘(zhan)度變化(huà)較大；而(er)且，粘度(du)越大，儀(yi)表常數(shù)越小，而(ér)在較大(dà)流量下(xia)，粘度影(yǐng)響就小(xiao)得多。從(cóng)這個試(shì)驗結果(guǒ)說明，小(xiao)流量時(shi)，介質粘(zhān)性起着(zhe)重要的(de)作用，而(er)在大流(liú)量下，粘(zhan)度的作(zuo)用就顯(xian)得不重(zhong)要了。

                           三(san) 正交多(duō)項式粘(zhān)度補償(chang)模型

由(you)渦輪流(liú)量計的(de)通用粘(zhān)度曲線(xian)模型知(zhī)，儀表常(chang)數僅取(qǔ)次于 f/v, 即(jí)
因此，我(wo)們将試(shì)驗數據(ju)在單對(dui)數坐标(biāo)紙上，以(yi)f/v作爲橫(héng)坐标，重(zhong)新作圖(tú)，如圖3所(suo)示。結果(guǒ)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(jiu)是通用(yòng)粘度曲(qǔ)線。

我們(men)采用任(rèn)意步長(zhang)的正交(jiāo)曲線拟(nǐ)合方法(fa)，将試驗(yan)數據重(zhong)新按f/L方(fāng)式整理(li)，然後進(jin)行正交(jiāo)多項式(shì)拟合
式(shi)中 公式(shi) 均爲系(xì)數，計算(suàn)方法參(cān)閱文獻(xian)（5）
經計算(suàn)表明，對(dui)圖3所示(shi)通用粘(zhān)度曲線(xiàn)可以進(jin)行分段(duan)拟合，經(jing)分段正(zhèng)交曲線(xiàn)拟合的(de)曲線如(ru)圖4、圖5所(suo)示。由圖(tú)可見，當(dāng)f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲(qǔ)線接近(jin)水平直(zhí)線，即這(zhè)時儀表(biao)數爲 “常(chang)數”。圖4、圖(tu)5曲線的(de)公式表(biǎo)達爲
以(yi)上就是(shi)試驗渦(wō)輪流量(liàng)計的粘(zhan)度補償(chang)模型。式(shì)中 δ 反映(yìng)了模型(xíng)計算的(de)儀表常(chang)數偏離(li)實際儀(yi)表常數(shu)的相對(dui)誤差。模(mo)型中，當(dāng)f/L<30時，模型(xing)計算的(de)儀表常(chang)數偏離(lí)實際值(zhí)zui大值爲(wèi)2.03%，故該段(duan)曲線的(de)拟合精(jīng)度爲±2.5%，而(er)當f/L≥30時，模(mó)型計算(suan)值偏離(li)實際值(zhí)zui大值爲(wèi)0.96%，故若儀(yí)表在此(cǐ)區間工(gong)作，其精(jing)度可達(dá)±1%。
                               四 在線(xiàn)粘度補(bu)償

    爲了(le)能使渦(wo)輪流量(liàng)計實現(xian)在線自(zi)動粘度(du)補償測(ce)量，我們(men)同時還(hai)研制了(le)粘度補(bǔ)償式渦(wo)輪流量(liang)計流量(liàng)計算顯(xian)示儀表(biǎo)(以下簡(jian)稱儀表(biǎo))儀表在(zài)實時測(ce)量前，隻(zhī)要輸入(rù)流體的(de)粘度v（單(dan)位爲mm2/S）即(jí)可進入(rù)測量狀(zhuang)态。模型(xing)中的系(xì)數bj已固(gù)化在儀(yi)表中，儀(yi)表是一(yi)台以單(dan)片微機(jī)8031爲核心(xin)的流量(liang)積算顯(xiǎn)示儀表(biao)。儀表的(de)工作原(yuan)理框圖(tú)如圖6所(suǒ)示。

儀表(biǎo)主要技(ji)術指标(biāo)如下；
（1） 适(shi)用傳感(gǎn)口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘(zhān)度補償(cháng)範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補(bu)償精度(du) ±1%。 ±2.5% （含傳感(gan)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(liang)顯示 8 位(wèi)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(jing)适應能(néng)力，我們(men)轉對儀(yi)表 中的(de)微處理(lǐ)器震蕩(dang)頻率進(jin)行測試(shì)，内容包(bāo)括；（1）芯片(piàn)電源電(dian)壓波動(dòng)對頻率(lü)的影響(xiang)；（2）環境溫(wen)度變化(hua)對頻率(lǜ)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(děng)單元電(dian)路置于(yú)超級恒(héng)溫水浴(yù)中，外接(jie)一穩壓(yā)電源，數(shù)字電壓(ya)表，頻率(lü)計進行(háng)測試，測(cè)試結果(guǒ)表明，電(dian)壓漂移(yí)影響zui小(xiao)。溫度影(yǐng)響zui大。取(qu)置信度(du)爲99.0%。三者(zhe)的相對(dui)極限誤(wù)差分别(bié)爲 δv=1.30×10-6% （電壓(yā)波動爲(wei)5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測(ce)試時間(jian)爲1小時(shi)）；δ=1.59×10-5%（溫度波(bo)動爲20～45℃），
   儀(yi)表每隔(gé)2秒對來(lai)自傳感(gan)器的電(diàn)脈沖進(jin)行處理(li)。即按數(shù)學模型(xíng)編程運(yun)算，取四(sì)字級浮(fu)點運算(suan)，經測試(shi)，運算誤(wù)差不大(dà)于5×10-5%。
   前置(zhì)處理電(diàn)路在正(zhèng)常輸入(ru)信号頻(pin)率範圍(wei)内，不會(huì)增加總(zǒng)體測量(liàng)誤差，因(yīn)此，即使(shi)在zui壞工(gong)作條件(jian)下，zui大相(xiàng)對誤差(cha)由以上(shang)三項誤(wù)差及軟(ruan)件運算(suàn)誤差δc合(hé)成而得(dé)，即

由此(ci)可見，所(suo)研制的(de)粘度補(bǔ)償式渦(wō)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(wō)輪流量(liang)計的應(ying)用

    早在(zai)60年代，國(guó)外就将(jiāng)渦輪流(liu)量計用(yòng)于石油(yóu)工業領(lǐng)域中，對(dui)原油及(ji)其成品(pǐn)油進行(hang)測量，例(lì)如英國(guó)北海油(you)田就是(shì)應用渦(wo)輪流量(liàng)計計量(liàng)原油和(hé)水的流(liú)量，一般(bān)而言，适(shì)用于原(yuán)油外輸(shu)計量的(de)流量計(ji)，也僅爲(wei)渦輪流(liú)量計（或(huò)容積式(shi)流量計(jì)），美國石(shí)油學會(huì)石油計(ji)量标準(zhun)AP12534爲此制(zhi)定了“用(yòng)渦輪流(liú)量計計(jì)量液态(tai)烴”的計(ji)量标準(zhun)。渦輪流(liú)量計之(zhī)所以能(neng)夠廣泛(fan)地應用(yòng)于石油(you)工業領(ling)域。是因(yīn)爲渦輪(lún)流量計(jì)比其他(tā)形式的(de)流量計(ji)，如容積(ji)式流量(liàng)計更突(tu)出的優(yōu)點，如渦(wō)輪流量(liang)計具有(you)流量範(fàn)圍寬、結(jié)構緊湊(cou)、簡單、使(shi)用壽命(mìng)長等優(you)點，更重(zhong)要的是(shi)，渦輪流(liú)量計能(neng)夠經受(shou)嚴重的(de)脈動而(er)引起的(de)超出流(liu)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(tǐ)物從而(ér)導緻管(guan)路系統(tǒng)的阻塞(sāi)，一般小(xiǎo)顆粒物(wu)質經過(guo)流量計(ji)時也不(bu)會引起(qǐ)損壞。但(dan)是，容積(jī)式流量(liang)計就不(bu)能容忍(rěn)液體中(zhōng)夾帶固(gù)體顆粒(lì)，這不僅(jin)會使流(liú)量計發(fā)生故障(zhang)，更嚴重(zhong)的是，一(yī)旦流量(liang)計卡死(sǐ)不轉，将(jiāng)導緻液(yè)體的阻(zǔ)塞而引(yǐn)起系統(tǒng)過壓的(de)現象，因(yīn)此我們(men)相信，渦(wo)輪流量(liàng)計将會(hui)在石油(yóu)工業領(lǐng)域，以及(jí)其他領(ling)域得到(dao)越來越(yue)廣泛的(de)應用。

    随(sui)着渦輪(lun)流量計(ji)在測量(liàng)粘性介(jiè)質的流(liu)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(liàng)計的粘(zhan)性介質(zhì)測量”方(fang)面的研(yán)究也就(jiu)越來越(yuè)将體現(xiàn)出其重(zhòng)要的價(jia)值和現(xiàn)實意義(yì)。