渦輪流量計 的(de)理論與實踐

一 前言

    傳統 渦(wō)輪流量計隻能用來測(cè)量低粘度的液體流量(liàng)，如水、汽油等。渦輪流量計制造廠一般也規(guī)定被測(cè)液體粘度不得大于5MPaS，否則将産生嚴重誤差。如何用傳(chuán)統渦輪流量傳感器準确測量液體(tǐ)粘度大于5MPaS的液體流(liú)量，如原油(yóu)、機械油等(děng)的流量，則(zé)會引起我們廣泛的重視。

    本研(yán)究采用LW型傳統渦輪流量傳感器作爲研究對象，對(duì)其進行了(le)廣泛(fàn)的理論(lùn)和實驗研究，得到了這種流量傳感器的介質粘(zhān)度補償模型，與此同時，我們還研制(zhì)了具有粘度自(zì)動補償功能的渦輪流量計積算顯示儀(yí)表，這(zhè)樣(yàng)傳統渦輪流量傳感器(qì)，運用相應粘度(dù)補償模型，并配以本積算顯示儀表，就可以實現對粘性液體的流量測量。

                                二(èr) 介質粘性影響試驗

Hochreiter(1) 和 Shafer(2)曾給出了渦(wō)輪流量傳感介質粘性影(yǐng)響(xiǎng)的物理模型。
 （1）
式中 
f---------傳感器發出的頻率；
Q-------- 瞬時流量；
v---------被測液體的運動粘度。
式（1）即稱爲“渦輪流(liú)量計的通用粘度曲線”。其中，Φ爲(wèi)一多(duō)項式；Φ的形式必須通過實(shí)驗确定(dìng)。
爲此，我們首先進行了介質粘性影響(xiǎng)的試驗，試驗裝置如圖1所示。試驗介(jiè)質(zhì)粘度變化範圍(wéi)爲1～95.6MPaS；試驗渦輪流量傳感器的(de)型号爲LW—25型(xíng)。
 （2）
圖2給出了試驗(yàn)結果。圖中K爲實際(jì)儀表常(cháng)數 
E爲相同(tóng)誤差，定義爲
 （3）
   由試驗結果知。當粘度達到(dào)8.91mm2/s及更大時，傳感器幾乎失去線性範圍，從圖中(zhōng)還可以看到，在較小流量下，傳感器儀表常數随粘度變(biàn)化較(jiào)大；而且，粘度(dù)越大，儀表常數越小，而在較大流量下，粘度影響就小(xiǎo)得多。從這個試驗結果說明，小流量時，介質粘性起着重要的作用，而在大流量下，粘度(dù)的作用就顯得不重(zhòng)要了。

                           三 正交多項式粘度補償模型

由渦(wō)輪流量計的(de)通用粘度曲線模(mó)型知，儀表常數僅取次(cì)于 f/v, 即
因此，我們将試驗數據在單對數坐标紙上，以f/v作爲橫坐标，重新作圖，如圖3所示(shì)。結果發現，原(yuán)來分(fèn)散的幾條粘度曲(qǔ)線合(hé)成一條曲線，這就是通用粘度曲線(xiàn)。

我(wǒ)們采用任意步長的(de)正交曲(qǔ)線拟合方法，将試(shì)驗數據重新按f/L方式整理，然後進行正交多(duō)項式拟合
式中 公式 均爲系數，計算方法參(cān)閱文獻（5）
經計算表明，對圖3所示通用粘度曲線可以進(jìn)行分段拟合，經(jīng)分段正交(jiāo)曲線拟合的曲線如圖4、圖5所示。由圖可見，當f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲(qǔ)線(xiàn)接近水平直(zhí)線，即這時儀表數爲 “常數”。圖4、圖5曲線的公式表達爲
以上就是試驗(yàn)渦輪流量計的粘度(dù)補償模型。式中 δ 反映了模型計算(suàn)的儀(yí)表常數偏離實際儀表常數(shù)的相對誤差。模型中，當f/L<30時(shí)，模型計算(suàn)的儀表常數偏(piān)離實(shí)際值(zhí)zui大值爲2.03%，故該段曲線的拟合精度爲(wèi)±2.5%，而當f/L≥30時，模型計算值偏離實際值zui大(dà)值爲0.96%，故(gù)若儀表(biǎo)在此區間工作，其精度可達±1%。
                               四 在線粘(zhān)度補償

    爲了能使(shǐ)渦輪流量計實現在線自動粘度補償測量，我們同(tóng)時還研制了粘度補償式渦輪流量計流量計(jì)算顯示儀表(以下簡(jiǎn)稱儀表(biǎo))儀表在實時測量前，隻要輸入流體(tǐ)的粘度v（單位爲mm2/S）即可進入測量狀(zhuàng)态(tài)。模型中的系數bj已固化在儀表中，儀表是一台以單片(piàn)微機8031爲核(hé)心的流量積算顯示儀表。儀表的工作原理(lǐ)框圖如圖6所示。

儀(yí)表主(zhǔ)要技術指标如下；
（1） 适用傳感口(kǒu)徑 6～ 50（mm）
（2） 粘度補償範圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補償精度 ±1%。 ±2.5% （含傳感器誤差）
（4） 瞬(shùn)時流量顯示 6 位十進制數(shù) （m3/h ）
（5） 累積流量顯示 8 位十進整數， 7 位十進小數（m3）
（6） 模拟輸出 4～ 20 （mA）
   爲考核儀表(biǎo)的環境(jìng)适應能力(lì)，我們轉對儀表 中的微處(chù)理器震蕩頻率進行測試，内容包括(kuò)；（1）芯片電源電壓(yā)波動對頻率的影響；（2）環境溫度變化對頻率的影響；（3）時間對頻(pín)率的影響，測試時，将8031芯片(piàn)及6MHz晶(jīng)振等單元電路置(zhì)于超級恒溫水浴中，外接一(yī)穩壓電源，數字電壓表，頻率計進行測試，測試結果表明，電壓(yā)漂移(yí)影響zui小。溫度影響zui大。取置(zhì)信度爲99.0%。三者的相對極限誤差分别爲 δv=1.30×10-6% （電壓波動爲5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測試時間爲1小時）；δ=1.59×10-5%（溫(wēn)度波動爲20～45℃），
   儀表每隔2秒對來自(zì)傳感(gǎn)器的電脈沖進行處理。即按數學模(mó)型編(biān)程運(yùn)算，取四字(zì)級浮點運算，經(jīng)測試，運算誤差(chà)不大于5×10-5%。
   前置處理電路在正常輸入信号頻率範圍内，不會增(zēng)加總體測量誤差，因(yīn)此，即使在(zài)zui壞工作條件下(xià)，zui大相對誤差由以上(shàng)三項誤(wù)差及軟件運算誤差δc合成而得，即

由此(cǐ)可見，所研(yán)制的粘度補償式渦輪流量計 流量計算顯示儀表(biǎo)的整體精度優于10-6。

                               五 渦輪流量計的應用

    早在60年代，國外就将渦輪流量(liàng)計用于石油工業領域中，對原油及其成(chéng)品油進行測量，例如(rú)英國北海(hǎi)油田就是(shì)應用渦輪流量計計量原油和水的流量，一(yī)般而言，适用于原油外輸計量的流量計，也僅爲渦輪流量計（或容積式流量計），美國石油(yóu)學會石油計量标準AP12534爲此制定了“用渦輪流量計計量(liàng)液态烴”的計量标準。渦輪流量計之所(suǒ)以能夠廣泛地(dì)應用于石(shí)油(yóu)工(gōng)業(yè)領域。是因爲渦輪流量計比其他形式的流量計(jì)，如容積式流量計更突出的優點，如渦輪(lún)流量計具有流量範(fàn)圍寬、結構緊湊、簡單、使用(yòng)壽命長等優點，更重要的是，渦輪流量計能夠經受嚴重的脈動而引起的超出流量上限的流量(liàng)，以及流量(liàng)計不會(huì)因爲液體中所夾帶的固體物從而導緻管路系統的(de)阻塞，一般小顆粒物質經過流(liú)量計(jì)時也不會引起損(sǔn)壞(huài)。但是，容積式流(liú)量計就不能容忍液體中夾帶固體(tǐ)顆粒，這不僅會使流量計發生故障，更嚴重的是，一旦流量計卡死不(bú)轉，将導緻液體的(de)阻塞而引起系統過(guò)壓的現象，因此(cǐ)我們相信，渦輪流量計(jì)将(jiāng)會在石油工(gōng)業領域，以及其他領域得到越來越廣泛的應(yīng)用(yòng)。

    随着(zhe)渦輪流量計在測量粘性介質的流量方而(ér)得到越來越廣泛的應用，國(guó)内外對“渦輪(lún)流量計的粘性介質測(cè)量”方面的研究也就(jiù)越(yuè)來越将體現出其重要的價值和(hé)現實意義。