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涡轮流量计直管段与精度的关系和工作原理介绍

    涡轮流量计速度式流量计中的主要种类,当被测流体流过涡轮流量计传感器时,在流体的作用下,叶轮受力旋转,其转速与管道平均流速成正比,同时,叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线,改变线圈的磁通量,根据电磁感应原理,在线圈内将感应出脉动的电势信号,即电脉冲信号,此电脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。影响涡轮流量计精度的主要外部因素是流体的流动状态,涡轮流量计特性曲线要保持良好的线性关系,流过流量计的流体应为充分发展的流型。
1.旋转系数与下游直管段长度之间的关系
旋转流的旋转强度用旋转系数来表示,旋转系数定义为角动量通量与轴向动量通量的比值:

式中:ω -- 周向速度;
u -- 轴向速度;
R -- 管道半径;
A -- 流体流过的横截面积;
ρ -- 密度。
对于圆管内的旋转流,在r=0.95R处的旋转角度大,即:

采用多项迭代的方法,可编程计算出在某个值时(X 为圆管直径D的倍数)满足一定精度的Sw值:

    常数b和c与流体性质、雷诺数和流量有关,需要通过实验确定。对于不可压缩流体,b=0.030~0.085,c=0.10~0.50。一般来说,流量越大,旋转流的衰减越大,由式(3)可以看出,旋转流发生后的直管段越长,旋转流的强度越弱,对涡轮流量计精度的影响越小。
2.实验设计与结果分析
    为了在实验过程中能得到理想的旋转流体,实验中采用了模拟多种强度旋转流的发生器,旋转流发生器安装在流量计上游来流的起始点处。
    实验采用称量法,记录电子称上的质量脉冲数N,N乘以质量脉冲常数(0.08333),即得到质量值(kg),同时记录时间和涡轮变送器的脉冲数,在每个流量点重复做三次,记录三组数据,共选择5个流量点来覆盖涡轮流量计的测量量程。流量Q=0.08333N/t,仪表系数为:

仪表系数K与旋转数Sw成线性关系,仪表精度为:

其中α、d均为待定系数。
    根据实验所得多组脉冲数和流量数据,可计算出仪表精度δ值。按δ-X方程及δ和X数据进行小二乘法回归,可确定α和d的数值。一般来说,对不可压缩流体,α=1.15~2.20,d=0.016~0.11。
3.直管段长度和流量计精度的初步预测
    在工程设计中,根据流体性质、流量和雷诺数确定α和d值。这样,按照式(5)就可以依不同的流量计精度要求,对直管段长度进行初步预测,或确定直管段长度后,对流量计的精度做初步预测。
当δ=0.2%时,不同流量下所需直管段长度见表1。
表1 不同流量下所需直管段长度

d

0.0165

0.0385

0.0578

0.0755

0.0801

0.0910

0.106

X

145.05

62.16

41.41

31.70

29.88

26.30

22.58


当X=30时,不同流量下仪表精度见表2。
表2 不同流量下预测的仪表精度

d

0.0165

0.0385

0.0578

0.0755

0.0801

0.0910

0.106

δ

1.33

0.69

0.39

0.23

0.20

0.14

0.10

对流量计的精度和直管段的预测,为不同精度要求的涡轮流量计选择适当长度的直管段提供了理论参考。

4.结语
(1)旋转数Sw与X成指数关系,即随着下游距离X的增加,旋转流强度以指数方式衰减。指数系数c和α值与介质的性质,雷诺数等参数有关。
(2)对于任一旋转流源,随着下游距离的增加,在大流量区旋转流强度衰减速度快,而在小流量区,旋转流强度衰减速度要慢一些,因此,对小流量的流量计管道设计中需要加长直管段,以减少旋转流对流量计精度的影响。
(3)不论旋转流的方向如何,流量计越靠近旋转流源,流量计的精度δ越差,流量计精度可以按式(5)进行初步预测。

涡轮流量计工作原理:

涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类,当被测流体流过涡轮流量计传感器时,在流体的作用下,叶轮受力旋转,其转速与管道平均流速成正比,同时,叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线,改变线圈的磁通量,根据电磁感应原理,在线圈内将感应出脉动的电势信号,即电脉冲信号,此电脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。
涡轮流量计按叶轮相对于流向的安装方向,分为切向式和轴流式两种。切向式的构造是:由介质切向流动,使计量室内叶轮转动,它可以形象地描述成“水车”;与此相反,轴流式把叶轮设置成保持轴与管中流向平行,叶轮在轴向介质作用下而使其转动,可以形象地描述成“风车”。
不同厂家、不同应用场合,涡轮流量传感器输出方式不同:有些涡轮流器输出与流量成正比关系的脉冲频率,输入到流量显示仪表或计算机=有些涡轮流量传感器在每单位体积时输出n个脉冲,输出脉冲当量为0.01 (10.111110) /mj等,通常分析轴向涡轮工作原理时根据两种理论作为基础:其一是根据动量守恒的原理通过涡轮受力过程进行分析;
另一种是根据飞行动力学推力的副翼理论进行分折的,**种理论的优点是它较直观描述基本工作过程,常用于对影响因素的定量分析,需要配合实验数据求得他们之间的关系;
第二种方法的优点是通过副翼理论分析,使得其分析更充分和**,但计算过程较复杂,需要处理大量的数据。下面讨论使用动量守恒动量交换方法作为轴向涡轮流量计分析的一些概念。

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