渦輪流量計工作原理

渦輪流量計（簡稱 TUF ）是葉輪式流量(流速計)的主要品種，葉輪式流量計還有風速計、水錶等。渦輪流量計 TUF 由傳感器和轉換顯示儀組成，傳感器採用多葉片的轉子感受流體的平均流速，從而推導出流量或總量。轉子的轉速（或轉數）可用機械、磁感應、光電方式檢出並由讀出裝置進行顯示和傳送記錄。據稱美國早在 1886 年即發布過第一個渦輪流量計 TUF 專利， 1914 年的專利認為渦輪流量計 TUF 的流量與頻率有關。美國的第一臺 TUF 是在 1938 年開發的，它用於飛機上燃油的流量測量，只是直至二戰後因噴氣發動機和液體噴氣燃料急需一種高精度、快速響應的流量計才使它獲得真正的工業應用。如今，它已在石油、化工、科研、國防、計量各部門中獲得廣泛應用。

流量計中渦輪流量計 TUF 、容積式流量計和科氏質量流量計是三類重複性、精確度最佳的產品，而渦輪流量計 TUF 又具有自己的特點，如結構簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大（同樣口徑可通過的流量大）和可適應高參數（高溫、高壓和低溫）等。至今，流量計產品可達技術參數：口徑 4 一 750 mm ，壓力達 250MPa ，溫度為 -240 一 700 ℃ ，像這樣的技術參數其他兩類流量計是難以達到的。

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TUF 在以下一些測量對象獲得廣泛應用：石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣、煤氣和低溫流體等。在國外液化石油氣、成品油和輕質原油等的轉運及集輸站，大型原油輸送管線的首末站都大量採用它進行貿易結算。在歐洲和美國渦輪流量計 TUF 是僅次於孔板流量計的天然氣計量儀表，僅荷蘭在天然氣管線上就採用了 2600 多臺各種尺寸，壓力從 0 . 8MPa 到 6 . 5MPa 的氣體渦輪流量計 TUF ，它們已成為優良的天然氣流量計。

儘管 TUF 的優良計量特性受到人們的青睞，可是給人的印象是有活動部件，使用期短，在選用時不免躊躇，經過人們的不懈努力，應該說情況大有改觀。由於採用了特殊的耐磨軸承，傳感器不僅可用於清潔介質，還可適用於微粒介質。國內某廠產品的平均無故障工作時間（ MTBF ）達到 2 萬 h ，在輸油（成品油）管線中定的指標為 8000h ，亦即基本上可以連續工作一年，與儀表大修期一致起來。由於傳感器的結構較為簡單，失效後的可維修性較好，如此用戶就放心了。據荷蘭產品資料介紹，曾經對 240 臺使用 8 ~15 年的天然氣 TUF 進行周期檢定，發現儀表的精確度的偏移仍在規定範圍內。

TUF 作為最通用的流量計，其產品已發展為多品種、全系列、多規格批量生產的規模。應該指出， TUF 除前述工業部門大量應用外，在一些特殊部門亦得到廣泛應用，如科研實驗、國防科技、計量部門，這些領域的使用恰好避開了其弱點（不適於長期連續使用），充分發揮其特點（高精度，重複性好，可用於高壓、高溫、低溫及微流量等條件）。在這些領域，大多是根據被測對象的特殊要求進行專門的結構設計，它們是專用儀表不進行批量生產。

20 世紀 90 年代中期世界範圍內， TUF 銷售臺數和金額在流量儀表總量中各佔 9 ％左右，年銷售 19 萬臺左右；在我國 90 年代初銷售臺數佔流量儀表總量（不包括家用燃氣表和水錶及玻璃管浮子流量計）亦為 9 ％左右，年銷售 1 . 4 萬臺左右。 90 年代中期，銷售有所下降，近來隨著天然氣工業的迅速發展又有回升趨勢。

7 . 1 所示為 TUF 傳感器結構簡圖，由圖可見，當被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪的轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值。檢測線圈中的磁通隨之發生周期性變化，產生周期性的感應電勢，即電脈衝信號，經放大器放大後，送至顯示儀表顯示。 TUF 的流量方程可分為兩種：實用流量方程和理論流量方程。

( 1 ）實用流量方程

qv = f / K ( 7 . 1 )

qm =qv ρ ( 7 . 2 )

式中 qv , qm ― 分別為體積流量 m3 ／s , 質量流量,kg/s ; f--流量計輸出信號的頻率Hz ；K―流量計的儀表係數， P / m3 。

流量計的儀表係數與流量（或管道雷諾數）的關係曲線如圖 7 . 2 所示。由圖可見，儀表係數可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結構尺寸及流體粘性有關。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當流量低於傳感器流量下限時，儀表係數隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關係。當流量超過流量上限時要注意防止空穴現象。結構相似的 TUF 特性曲線的形狀是相似的，它僅在系統誤差水平方面有所不同。

傳感器的儀表係數由流量校驗裝置校驗得出，它完全不問傳感器內部流體的流動機理，把傳感器作為一個黑匣子，根據輸人（流量）和輸出（頻率脈衝信號）確定其轉換係數，它便於實際應用。但要注意，此轉換係數（儀表係數）是有條件的，其校驗條件是參考條件，如果使用時偏離此條件係數將發生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數的情況而定。

( 2 ）理論流量方程

根據動量矩定理可以列出葉輪的運動方程，

J dω/dt=M1-M2-M3-M4 ( 7 . 3 )

式中 J ― 葉輪的慣性矩； d ω /dt ― 葉輪的旋轉加速度； Ml ― 流體驅動力矩； M2 ― 粘性阻力矩； M3 ― 軸承摩擦阻力矩； M4 ― 磁阻力矩。當葉輪以恆速旋轉時， Jd ω /d ＝ 0 ，則 M1=M2+M3+M4 。經理論分析與實驗驗證可得

n=Aqv+B-C/qv( 7 . 4 )

式中 n ― 葉輪轉速； qv ― 體積流量； A ― 與流體物性（密度、粘度等），葉輪結構參數（葉片傾角、葉輪直徑、流道截面積等）有關的係數； B ― 與葉片頂隙，流體流速分布有關的係數； C ― 與摩擦力矩有關的係數。

國內外學者提出許多理論流量方程，它們適用於各種傳感器結構及流體工作條件。至今 TUF 儀表特性的水動力學特性仍舊不很清楚，它與流體物性及流動特性有複雜的關係。比如當流場有旋渦和非對稱速度分布時水動力學特性就非常複雜。不能用理論式推導儀表係數，儀表係數仍需由實流校驗確定。但是理論流量方程有巨大的實用意義，它可用於指導傳感器結構參數設計及現場使用條件變化時儀表係數變化規律的預測和估算 .