摘 要 :阐述了涡轮流量计的工作特性、理论模型, 分析了涡轮流量计的始动流量, 并介绍了一种新型光纤涡轮流量计, 给出了其试验结果, 从试验结果表明该流量计具有始动流量低、灵敏度高、线性工作区宽的特点。

0、前 言：
 在小流量测量中 ,涡轮流量计因其体积小、结构简单、价格便宜 ,被广泛地用在石油、医药、化工等领域,用来测量水、油、酒类等管道的流量。同时 ,它又具有高精度、性能可靠等优点 ,可用在航天等高科技领域, 或用做校正元件。但涡轮流量计受量程比限制, 存在较大死区 ,限制了其使用范围。因此, 降低始动流量 ,扩大线性工作区,将是涡轮流量计提高性能,扩大应用范畴的重要措施。

1、工作原理：
 涡轮流量计是速度式流量测量仪表 ,它是通过测量置于被测流体内的涡轮的旋转速度 n 来测量流量Q 的大小。涡轮流量计的特性方程式为^[ 1]
 
n =cQ -cê ,
 
  式中 c 为涡轮流量计流量与转速之间的转换系数;a 为与流量计结构参数、流体性质以及流动状态有关的系数。与其相应的特性曲线如图 1 所示。
 由特性曲线可知:流量计的工作区间为 A -B 段,即特性方程线性工作区。而在流量 QA 以下时 , 流量与转速不成线性关系 ,在一定小的流量下 ,无信号输出。因此,在测量过程中, 如何降低始动流量, 提高灵敏度 ;减小死区,展宽线性工作区, 成为解决小流量测量的关键问题。

图1	涡轮流量计 Q -n 特性曲线图

2、理论分析：
  对涡轮流量计的理论模型作如下分析^[ 2] 。叶片的旋转如图 2 所示。


图 2  叶片的旋转

设涡轮流量计内流体流向与涡轮叶片成 θ倾斜角, 若密度为 ρ的流体以速度 V 冲击叶片时, 将朝

上产生与 ρVtan θ成正比的力, 此外, 由于涡轮以角

速度 ω旋转 ,故图中实际的涡轮驱动力为

),

(1)

F r  =cρQ(V tanθ-ωr

式中

为涡轮平均旋转半径。

r

因为, 涡轮驱动力矩 T r  与 F r  成正比 , V 与

Q/ S(S 为流路面积)成正比 , 故将这些关系代入

式(1)得

tan θ

r

2

T r  =c1

ρQ

-c2 r

ρQ ω.

(2)

S

涡轮在正常状态下旋转时 ,涡轮驱动力矩 T r 等

于轴承摩擦等产生的机械反抗力矩 T rm 和由流动阻

力产生的反抗力矩 T rf 之和 ,即

T r  = T rm +T rf .

(3)

将式(2)与式(3)整理得

ω

tanθ

T rm

T rf

Q

=c3

-c4

2 ρQ2

-c4

2 ρQ 2

,   (4)

rS

r

r

式中  c3  =c1/ c2 ;c4  =1/c2 .

从理论可以知道 ,决定涡轮始动流量(即涡轮流

量计的***小灵敏度 Q min)的主要因素 ,涡轮起动时 ,

角速度小 , 故可以忽略阻力产生的反抗力矩 T rf  因

而式(4)可写为[ 3] .

ω

tanθ

T rm

Q

=c3

-c4

2 ρQ2

.

(5)

rS

r

其***小灵敏度 Qmin 是式(5)右边项和第二

项相等时的流量。即得[ 4, 5]

Qmin  =

c4 T rm S

·

1

.

(6)

c3 r tanθ

ρ

而机械反抗力矩 T rm 包括涡轮轴与轴承间的摩

擦力矩 T r1 和电磁反作用力矩 T r2

,即

T rm  = T r1 +T r2 .

(7)

因此 ,降低机械反抗力矩 T rm , 就是减小摩擦力

矩 T r1 和电磁反作用力矩 T r2

。

3  设计与实验

从式(6)可知 ,对测量介质一定, 管径一定的流

体,密度 ρ为定值, c3 , c4 分别为比例常数,横截面为

定值。因此 ,影响 Qmin 变化的只有 T rm(T r1

, T r2)和

θ值 。

在流量计结构设计及工艺设计时 , 根据理论分

析,优化设计。

(1)依据流量计分析及工艺设计的综合考虑 ,

当 tanθ为***大值时, θ角定为 45°;

量 ,减小涡轮的转动惯量,使其对流速变化的响应性
好 ;涡轮轴与轴承间采用轴尖支撑 , 轴承采用玛瑙,
减小旋转阻力;
	(3)磁电转换器由光纤接受器取代, 消除电磁反
作用力距 T r2 。同时,提高流量计的抗电磁干扰能力。
	减小摩擦阻力矩 T r1 , 消除电磁反作用力距
T r2 ,即减小机械反抗力矩 T rm ,使 Q min 尽可能小。
	对所研制的 CL -4 型光纤涡轮流量计和同管
径的一般磁电涡轮流量计的输出比较, 测试结果如
图 3 所示。

图3  涡轮流量计的输出特性
号输出 ;且从图中可看出,其线性得到提高。