涡轮流量计的研究

1 涡轮流量计测量原理

1.1 基本原理

涡轮流量计是一种速度式仪表，它是以动量矩守恒原理为基础的，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，最后从涡 轮的转数求出流量值，通过磁电转换装置（或机械输出装置）将涡轮转速变化成电脉冲，送入二次仪表进行计算和显示，由单位时间电脉冲数和累计电脉冲数反映出 瞬时流量和累计流量。

1.2 涡轮流量计的影响因素

涡轮流量计的理想特性曲线仅与仪表结构参数有关，与流量变化无关，仪表系数K为一常数。而实际曲线并非如此，对于实际的涡轮流量计， 涡轮首先必须克服轴承的静摩擦力后才能转动。我们将涡轮克服静摩擦力矩所需的最小流量值称为该涡轮的始动流量值。当通过流量计的流量小于始动流量值时，涡 轮不转，无信号输出。当流量大于始动排量以后，随着流量的增加，涡轮旋转角速度也将增大。以后在测量范围内，流体产生的阻力矩将成为影响流量计特性的主要 因素。相对来说，由轴承间摩擦产生的机械阻力矩就比较小了。流体产生的阻力矩对涡轮的影响又分为两种情况，当流体以较低速度流经涡轮，仪表常数是随被测液 体的流量和运动粘度变化而变化的；当流体以较高速度流经涡轮，仪表常数只与仪表本身的结构参数有关，而与流量无关。只有这种状态时，仪表常数才真正表示了 常数的性质。涡轮流量计的流量范围就是根据这一区间来确定的。

2 实验及结果分析

2.1 实验数据－涡轮在水中不同温度下的响应

不同温度下，用水标定涡轮k值的情况如表1，从表1中可以发现，由于水的温度有所增加，涡轮的K（K=F/Q）值相对减小。

表1

2.2 实验数据－涡轮在油中不同温度下的响应

不同温度下，标准涡轮对油流量的响应数值如下表：

表2

根据上表做出油对K值得响应特性曲线，如图1所示，冷油（16度）对K值的响应特性，即F=119.7Q-46.383；热油（60度）对K值的响应特性，即：

F=107.04Q-20.484。

由此，我们可以推导出：

Q₁=（F₁+20.48）/107.04 （1）

Q₂=（F₂+46.38）/119.7 （2）

式中：Q₁-热油流量；Q₂-冷油流量；F₁-涡轮对Q₁的频率响应值；F₂-涡轮对Q₂的频率响应值。

图1

将公式（1）（2）组成方程组，解得：（1）当F=F₁=F₂=142.2时，Q₁=Q₂；

（2）当F=F₁=F₂>142.2时，K值大的涡轮流速相对较小；

（3）当F=F₁=F₂<142.2时，K值大的涡轮流速相对较大。

如图2为标准涡轮在不同流量、不同油温下的K值响应曲线。标准涡轮K值计算公式为：K=F/Q。

图2

其中F为标准涡轮在某量范围内的响应频率。Q=V/T（m^3/D），假设V为某一固定体积容器，那么T即为以某固定流量Q充满固定体积V所用的时间。

由上面图表我们看到，当Q₁=Q₂时，F₁2，K₁2。因此可以得出，当流量一定时，标定冷水的K值比热水的K值大。如果提高流量Q1，使F1=F2，这时又出现下面的情况：当F₁=F₂时，Q₁>Q₂，K₁>K₂。