渦(wo)輪流量(liang)計 的理(lǐ)論與實(shí)踐

一 前(qián)言

    傳統(tong) 渦輪流(liu)量計隻(zhī)能用來(lái)測量低(dī)粘度的(de)液體流(liu)量，如水(shuǐ)、汽油等(děng)。渦輪流(liú)量計制(zhi)造廠一(yi)般也規(gui)定被測(ce)液體粘(zhan)度不得(de)大于5MPaS，否(fǒu)則将産(chan)生嚴重(zhòng)誤差。如(rú)何用傳(chuan)統渦輪(lun)流量傳(chuán)感器準(zhǔn)确測量(liang)液體粘(zhan)度大于(yú)5MPaS的液體(ti)流量，如(rú)原油、機(jī)械油等(deng)的流量(liàng)，則會引(yin)起我們(men)廣泛的(de)重視。

    本(běn)研究采(cǎi)用LW型傳(chuán)統渦輪(lún)流量傳(chuán)感器作(zuo)爲研究(jiu)對象，對(duì)其進行(háng)了廣泛(fan)的理論(lun)和實驗(yan)研究，得(dé)到了這(zhè)種流量(liang)傳感器(qi)的介質(zhì)粘度補(bu)償模型(xing)，與此同(tong)時，我們(men)還研制(zhì)了具有(you)粘度自(zì)動補償(cháng)功能的(de)渦輪流(liu)量計積(jī)算顯示(shì)儀表，這(zhe)樣傳統(tǒng)渦輪流(liú)量傳感(gan)器，運用(yòng)相應粘(zhān)度補償(cháng)模型，并(bìng)配以本(běn)積算顯(xiǎn)示儀表(biǎo)，就可以(yǐ)實現對(dui)粘性液(yè)體的流(liu)量測量(liang)。

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

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

                           三(sān) 正交多(duo)項式粘(zhān)度補償(cháng)模型

由(you)渦輪流(liu)量計的(de)通用粘(zhan)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(biao)紙上，以(yǐ)f/v作爲橫(héng)坐标，重(zhong)新作圖(tú)，如圖3所(suǒ)示。結果(guo)發現，原(yuán)來分散(sàn)的幾條(tiao)粘度曲(qu)線合成(chéng)一條曲(qǔ)線，這就(jiu)是通用(yong)粘度曲(qu)線。

我們(men)采用任(rèn)意步長(zhang)的正交(jiāo)曲線拟(ni)合方法(fa)，将試驗(yan)數據重(zhong)新按f/L方(fāng)式整理(lǐ)，然後進(jìn)行正交(jiāo)多項式(shi)拟合
式(shi)中 公式(shi) 均爲系(xi)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(zhan)度曲線(xian)可以進(jin)行分段(duàn)拟合，經(jing)分段正(zheng)交曲線(xiàn)拟合的(de)曲線如(rú)圖4、圖5所(suǒ)示。由圖(tu)可見，當(dang)f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲(qǔ)線接近(jin)水平直(zhí)線，即這(zhe)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(liang)計的粘(zhan)度補償(chang)模型。式(shi)中 δ 反映(yìng)了模型(xíng)計算的(de)儀表常(chang)數偏離(li)實際儀(yí)表常數(shù)的相對(duì)誤差。模(mo)型中，當(dang)f/L<30時，模型(xíng)計算的(de)儀表常(cháng)數偏離(lí)實際值(zhí)zui大值爲(wei)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(wei)0.96%，故若儀(yi)表在此(ci)區間工(gōng)作，其精(jing)度可達(dá)±1%。
                               四 在線(xiàn)粘度補(bǔ)償

    爲了(le)能使渦(wō)輪流量(liàng)計實現(xian)在線自(zì)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(liàng)計流量(liàng)計算顯(xian)示儀表(biao)(以下簡(jian)稱儀表(biǎo))儀表在(zài)實時測(ce)量前，隻(zhi)要輸入(rù)流體的(de)粘度v（單(dan)位爲mm2/S）即(jí)可進入(ru)測量狀(zhuang)态。模型(xíng)中的系(xi)數bj已固(gù)化在儀(yi)表中，儀(yí)表是一(yi)台以單(dan)片微機(ji)8031爲核心(xīn)的流量(liàng)積算顯(xiǎn)示儀表(biao)。儀表的(de)工作原(yuán)理框圖(tú)如圖6所(suǒ)示。

儀表(biǎo)主要技(ji)術指标(biao)如下；
（1） 适(shì)用傳感(gǎn)口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘(zhan)度補償(chang)範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補(bu)償精度(dù) ±1%。 ±2.5% （含傳感(gan)器誤差(chà)）
（4） 瞬時流(liu)量顯示(shi) 6 位十進(jin)制數 （m3/h ）
（5） 累(lei)積流量(liàng)顯示 8 位(wèi)十進整(zheng)數， 7 位十(shí)進小數(shu)（m3）
（6） 模拟輸(shu)出 4～ 20 （mA）
   爲考(kao)核儀表(biǎo)的環境(jìng)适應能(néng)力，我們(men)轉對儀(yí)表 中的(de)微處理(lǐ)器震蕩(dàng)頻率進(jìn)行測試(shì)，内容包(bāo)括；（1）芯片(piàn)電源電(diàn)壓波動(dòng)對頻率(lü)的影響(xiang)；（2）環境溫(wēn)度變化(huà)對頻率(lü)的影響(xiang)；（3）時間對(duì)頻率的(de)影響，測(ce)試時，将(jiāng)8031芯片及(jí)6MHz晶振等(děng)單元電(dian)路置于(yú)超級恒(heng)溫水浴(yu)中，外接(jiē)一穩壓(yā)電源，數(shù)字電壓(yā)表，頻率(lǜ)計進行(háng)測試，測(ce)試結果(guo)表明，電(dian)壓漂移(yi)影響zui小(xiao)。溫度影(ying)響zui大。取(qu)置信度(du)爲99.0%。三者(zhe)的相對(duì)極限誤(wù)差分别(bié)爲 δv=1.30×10-6% （電壓(ya)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(yí)表每隔(ge)2秒對來(lái)自傳感(gan)器的電(dian)脈沖進(jìn)行處理(li)。即按數(shu)學模型(xíng)編程運(yùn)算，取四(si)字級浮(fú)點運算(suàn)，經測試(shi)，運算誤(wù)差不大(dà)于5×10-5%。
   前置(zhi)處理電(diàn)路在正(zheng)常輸入(ru)信号頻(pín)率範圍(wéi)内，不會(hui)增加總(zong)體測量(liang)誤差，因(yin)此，即使(shi)在zui壞工(gōng)作條件(jiàn)下，zui大相(xiang)對誤差(cha)由以上(shàng)三項誤(wù)差及軟(ruan)件運算(suan)誤差δc合(hé)成而得(de)，即

由此(ci)可見，所(suǒ)研制的(de)粘度補(bu)償式渦(wo)輪流量(liang)計 流量(liang)計算顯(xian)示儀表(biao)的整體(ti)精度優(you)于10-6。

                               五 渦(wō)輪流量(liang)計的應(ying)用

    早在(zài)60年代，國(guó)外就将(jiang)渦輪流(liú)量計用(yong)于石油(you)工業領(lǐng)域中，對(duì)原油及(jí)其成品(pin)油進行(háng)測量，例(li)如英國(guo)北海油(you)田就是(shi)應用渦(wo)輪流量(liang)計計量(liang)原油和(he)水的流(liu)量，一般(bān)而言，适(shì)用于原(yuán)油外輸(shu)計量的(de)流量計(jì)，也僅爲(wei)渦輪流(liu)量計（或(huò)容積式(shì)流量計(ji)），美國石(shi)油學會(hui)石油計(jì)量标準(zhun)AP12534爲此制(zhì)定了“用(yòng)渦輪流(liu)量計計(jì)量液态(tai)烴”的計(jì)量标準(zhun)。渦輪流(liu)量計之(zhi)所以能(neng)夠廣泛(fàn)地應用(yòng)于石油(yóu)工業領(ling)域。是因(yīn)爲渦輪(lún)流量計(jì)比其他(ta)形式的(de)流量計(ji)，如容積(ji)式流量(liang)計更突(tū)出的優(you)點，如渦(wō)輪流量(liang)計具有(yǒu)流量範(fàn)圍寬、結(jie)構緊湊(còu)、簡單、使(shi)用壽命(mìng)長等優(yōu)點，更重(zhòng)要的是(shì)，渦輪流(liú)量計能(néng)夠經受(shòu)嚴重的(de)脈動而(ér)引起的(de)超出流(liu)量上限(xiàn)的流量(liàng)，以及流(liú)量計不(bu)會因爲(wei)液體中(zhōng)所夾帶(dai)的固體(tǐ)物從而(ér)導緻管(guǎn)路系統(tong)的阻塞(sāi)，一般小(xiao)顆粒物(wù)質經過(guo)流量計(ji)時也不(bu)會引起(qǐ)損壞。但(dan)是，容積(ji)式流量(liàng)計就不(bú)能容忍(rěn)液體中(zhong)夾帶固(gu)體顆粒(li)，這不僅(jin)會使流(liu)量計發(fā)生故障(zhang)，更嚴重(zhòng)的是，一(yī)旦流量(liàng)計卡死(si)不轉，将(jiāng)導緻液(ye)體的阻(zu)塞而引(yin)起系統(tǒng)過壓的(de)現象，因(yīn)此我們(men)相信，渦(wō)輪流量(liang)計将會(huì)在石油(you)工業領(lǐng)域，以及(jí)其他領(ling)域得到(dào)越來越(yuè)廣泛的(de)應用。

    随(sui)着渦輪(lun)流量計(ji)在測量(liang)粘性介(jiè)質的流(liú)量方而(ér)得到越(yue)來越廣(guang)泛的應(ying)用，國内(nei)外對“渦(wo)輪流量(liàng)計的粘(zhān)性介質(zhì)測量”方(fang)面的研(yán)究也就(jiù)越來越(yuè)将體現(xian)出其重(zhong)要的價(jià)值和現(xian)實意義(yì)。