1 渦輪的工作原理

渦輪流量計由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成。

渦輪流量計的原理示意圖如圖3—1所示．在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐．當(dāng)流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)．在一定的流量范圍內(nèi)，對一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比．由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計算得到通過管道的流體流量．

渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的傳感線圈來檢測．當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時，就會引起傳感線圈中的磁通變化．傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值；同時亦將脈沖信號送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時流量值．  

渦輪流量計總體原理框用見圖3—2所示．

被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表進(jìn)行計數(shù)和顯示，根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。

渦輪變送器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動，并沖擊渦輪葉片時，便有與流量qv、流速V和流體密度ρ乘積成比例的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比，即： 其中，qv為流體的體積總量，N為變送器產(chǎn)生的脈動總數(shù)；ξ為流量系數(shù)。

ξ是渦輪變送器的重要特性參數(shù)，不同的儀表有不同的ξ，并隨儀表長期使用的磨損情況而變化；其含義是單位體積流量通過變送器時，變送器的輸出的脈沖數(shù)。

渦輪變送器輸出的脈沖信號，經(jīng)前置于放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實現(xiàn)流量的測量。

2．渦輪流量計的構(gòu)造

  流體從機(jī)殼的進(jìn)口流入．通過支架將一對袖承固定在管中心軸線上，渦輪安裝在軸承上．在渦輪上下游的支架上裝有呈輻射形的整流板，以對流體起導(dǎo)向作用，以避免流體自旋而改變對渦輪葉片的作用角度．在渦輪上方機(jī)殼外部裝有傳感線圈，接收磁通變化信號．  

下面介紹主要部件．  

(1)渦輪  

渦輪由導(dǎo)磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋狀葉片．葉片數(shù)量根據(jù)直徑變化而不同，2－24片不等．為了使渦輪對流速有很好的響應(yīng)，要求質(zhì)量盡可能小．對渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般要求為：葉片傾角10°－15°(氣體)，30°－45°（液體）；葉片重疊度P為1—1．2；葉片與內(nèi)殼間的間隙為0．5—1mm．  

(2)軸承  

渦輪的軸承一般采用滑動配合的硬質(zhì)合金軸承，要求耐磨性能好．由于流體通過渦輪時會對渦輪產(chǎn)生一個軸向推力，使鈾承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，加速鈾承磨損，為了消除軸向力，需在結(jié)構(gòu)上采取水力平衡措施，這方法的原理見圖3—3所示．由于渦輪處直徑DH略小于前后支架處直徑Ds，所以，在渦輪段流通截而擴(kuò)大，流速降低，使流體靜壓上升△P，這個△P的靜壓將起到抵消部分軸向推力的作用．

圖3－3  水力平衡原理示意圖

(3)前置放大器

前置放大器由磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與放大整形電路兩部分組成，示意圖見圖3—4所示．磁電轉(zhuǎn)換器國內(nèi)一般采用磁阻式，它由永久磁鋼及外部纏繞的感應(yīng)線圈組成．當(dāng)流體通過使諷輪旋轉(zhuǎn)的，葉片在永久磁鋼正下方時磁阻最小，兩葉片空隙在磁鋼下方時磁阻最大，渦輪旅轉(zhuǎn)，不斷地改變磁路的磁通量，使線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢，送入放大整形電路，變成脈沖信號．輸出脈沖的頻率與通過流量計的流量成正比，其比例系數(shù)K為

K = f / qv

式中 f――渦輪流量計輸出脈沖頻率；
qv——通過流量計的流量．

該比例系數(shù)亦稱為渦輪流量計的儀表系數(shù)。

圖3－4 渦輪流量計前置放大器原理圖

(4)信號接收與顯示  

信號接收與顯示器內(nèi)系數(shù)校正器、加法器和頻電轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將從前置放大器送來的脈沖信號變換成累積流量和瞬時流量并顯示．

2 渦輪流量計的選型

計本體最好選區(qū)用316不銹鋼材料以防腐，如是防爆區(qū)還必須是防爆結(jié)果。

（2）軸承一般有炭化鎢，聚四氟乙烯，碳石墨三種規(guī)格：碳化鎢的精度最高，它作為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)件；聚四氟乙烯，碳石墨能防腐，一般在化工場所優(yōu)先考慮。軸承的壽命流速的平方成正反比，故流速最好的在最大流速的1/3速度比較好。

（3）感應(yīng)探頭是檢測轉(zhuǎn)動體的運動并把它轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)字電信號，它電磁線圈電壓輸出值接近正弦曲線，脈沖信號的頻率范圍隨測量的流量大小成線性變化，典型的范圍為10:1，25:1 和100:1三種規(guī)格。

3渦輪流量計的安裝

（1）變送器的電源線采用金屬屏蔽線，接地要良好可靠。電源為直流24V，650Ω阻抗。
2）變送器應(yīng)水平安裝，避免垂直安裝，并保證其前后有適應(yīng)的直管段，一般前10D，后5D。
（3）保證流體的流動方向與儀表外殼的箭頭方向一致，不得裝反。
(4）被測介質(zhì)對渦輪不能有腐蝕，特別是軸承處，否則應(yīng)采取措施。
（5）注意對磁感應(yīng)部分不能碰撞。

4渦輪流量計的組態(tài)與校正

標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定方法是十點水標(biāo)定法，但黏度不同標(biāo)定的值不同，故通常要做黏度標(biāo)定曲線。

5渦輪流量計的顯示儀表

顯示儀表的任務(wù)是將單位時間輸出脈沖數(shù)和輸出脈沖總數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬流量和總流量，并顯示出來。

由前放大器輸出的脈沖信號，其幅值、波形都是不規(guī)則的，在進(jìn)入顯示儀表后，先需經(jīng)整形電路整形成為有規(guī)則的具有一定幅值的矩形電脈沖信號民，再經(jīng)過頻率/電流轉(zhuǎn)換電路，將頻率信號變?yōu)橄鄳?yīng)的電流信號（4～20mA）再轉(zhuǎn)換能瞬時流量值，總量由轉(zhuǎn)換及積算電路得到。有的顯示儀表就地顯示，有的送DCS顯示。

6注意事項

（1）安裝渦輪流量計前，管道要清掃。被測介質(zhì)不潔凈時，要加過濾器。否則渦輪、軸承易被卡住，測不出流量來。

（2）拆裝流量計時，對磁感應(yīng)部分不能碰撞。

（3）投運前先進(jìn)行儀表系數(shù)的設(shè)定。仔細(xì)檢查，確定儀表接線無誤，接地良好，方可送電。

（4）安裝渦輪流量計時，前后管道法蘭要水平，否則管道應(yīng)力對流量計影響很大。

7發(fā)展前景

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，當(dāng)今渦輪變送器已發(fā)展成小型化、高集成度的模塊，設(shè)計，有強(qiáng)大的功能軟件，并設(shè)有RS232標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)通信接口，對維護(hù)檢修提供了方便。可與DCS連接通信，DCS替代了顯示儀表，如HOFFER流量計在工業(yè)臨近生產(chǎn)過程中更方便實用。

總之，渦輪流量計是一種速度式流量儀表，由于具有測量精度高，反應(yīng)速度快，測量范圍廣，價格低廉，安裝方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。