渦輪流量計(jì)的理論與實(shí)踐

一 前言

   傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)只能用來(lái)測(cè)量低粘度的液體流量，如水、汽油等。渦輪流量計(jì)制造廠一般也規(guī)定被測(cè)液體粘度不得大于5MPaS，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。如何用傳統(tǒng)渦輪流量傳感器準(zhǔn)確測(cè)量液體粘度大于5MPaS的液體流量，如原油、機(jī)械油等的流量，則會(huì)引起我們廣泛的重視。

   本研究采用LW型傳統(tǒng)渦輪流量傳感器作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究，得到了這種流量傳感器的介質(zhì)粘度補(bǔ)償模型，與此同時(shí)，我們還研制了具有粘度自動(dòng)補(bǔ)償功能的渦輪流量計(jì)積算顯示儀表，這樣傳統(tǒng)渦輪流量傳感器，運(yùn)用相應(yīng)粘度補(bǔ)償模型，并配以本積算顯示儀表，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粘性液體的流量測(cè)量。

                               二 介質(zhì)粘性影響試驗(yàn)

Hochreiter(1)和 Shafer(2)曾給出了渦輪流量傳感介質(zhì)粘性影響的物理模型。
 （1）
式中 
f---------傳感器發(fā)出的頻率；
Q-------- 瞬時(shí)流量；
v---------被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度。
式（1）即稱為“渦輪流量計(jì)的通用粘度曲線”。其中，Φ為一多項(xiàng)式；Φ的形式必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。
為此，我們首先進(jìn)行了介質(zhì)粘性影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)介質(zhì)粘度變化范圍為1～95.6MPaS；試驗(yàn)渦輪流量傳感器的型號(hào)為L(zhǎng)W—25型。
 （2）
圖2給出了試驗(yàn)結(jié)果。圖中K為實(shí)際儀表常數(shù) 
E為相同誤差，定義為
 （3）
   由試驗(yàn)結(jié)果知。當(dāng)粘度達(dá)到8.91mm2/s及更大時(shí)，傳感器幾乎失去線性范圍，從圖中還可以看到，在較小流量下，傳感器儀表常數(shù)隨粘度變化較大；而且，粘度越大，儀表常數(shù)越小，而在較大流量下，粘度影響就小得多。從這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，小流量時(shí)，介質(zhì)粘性起著重要的作用，而在大流量下，粘度的作用就顯得不重要了。

                          三 正交多項(xiàng)式粘度補(bǔ)償模型

由渦輪流量計(jì)的通用粘度曲線模型知，儀表常數(shù)僅取次于 f/v, 即
因此，我們將試驗(yàn)數(shù)據(jù)在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以f/v作為橫坐標(biāo)，重新作圖，如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原來(lái)分散的幾條粘度曲線合成一條曲線，這就是通用粘度曲線。

我們采用任意步長(zhǎng)的正交曲線擬合方法，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新按f/L方式整理，然后進(jìn)行正交多項(xiàng)式擬合
式中 公式 均為系數(shù)，計(jì)算方法參閱文獻(xiàn)（5）
經(jīng)計(jì)算表明，對(duì)圖3所示通用粘度曲線可以進(jìn)行分段擬合，經(jīng)分段正交曲線擬合的曲線如圖4、圖5所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)f/L>30 (約Re>5000 )時(shí)，Ф曲線接近水平直線，即這時(shí)儀表數(shù)為 “常數(shù)”。圖4、圖5曲線的公式表達(dá)為
以上就是試驗(yàn)渦輪流量計(jì)的粘度補(bǔ)償模型。式中 δ 反映了模型計(jì)算的儀表常數(shù)偏離實(shí)際儀表常數(shù)的相對(duì)誤差。模型中，當(dāng)f/L<30時(shí)，模型計(jì)算的儀表常數(shù)偏離實(shí)際值z(mì)ui大值為2.03%，故該段曲線的擬合精度為±2.5%，而當(dāng)f/L≥30時(shí)，模型計(jì)算值偏離實(shí)際值z(mì)ui大值為0.96%，故若儀表在此區(qū)間工作，其精度可達(dá)±1%。
                               四 在線粘度補(bǔ)償

   為了能使渦輪流量計(jì)實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)粘度補(bǔ)償測(cè)量，我們同時(shí)還研制了粘度補(bǔ)償式渦輪流量計(jì)流量計(jì)算顯示儀表(以下簡(jiǎn)稱儀表)儀表在實(shí)時(shí)測(cè)量前，只要輸入流體的粘度v（單位為mm2/S）即可進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。模型中的系數(shù)bj已固化在儀表中，儀表是一臺(tái)以單片微機(jī)8031為核心的流量積算顯示儀表。儀表的工作原理框圖如圖6所示。

儀表主要技術(shù)指標(biāo)如下；
（1） 適用傳感口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘度補(bǔ)償范圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補(bǔ)償精度 ±1%。 ±2.5% （含傳感器誤差）
（4） 瞬時(shí)流量顯示 6 位十進(jìn)制數(shù) （m3/h ）
（5） 累積流量顯示 8 位十進(jìn)整數(shù)， 7 位十進(jìn)小數(shù)（m3）
（6） 模擬輸出 4～ 20 （mA）
   為考核儀表的環(huán)境適應(yīng)能力，我們轉(zhuǎn)對(duì)儀表 中的微處理器震蕩頻率進(jìn)行測(cè)試，內(nèi)容包括；（1）芯片電源電壓波動(dòng)對(duì)頻率的影響；（2）環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響；（3）時(shí)間對(duì)頻率的影響，測(cè)試時(shí)，將8031芯片及6MHz晶振等單元電路置于超級(jí)恒溫水浴中，外接一穩(wěn)壓電源，數(shù)字電壓表，頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，電壓漂移影響zui小。溫度影響zui大。取置信度為99.0%。三者的相對(duì)極限誤差分別為 δv=1.30×10-6% （電壓波動(dòng)為5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續(xù)測(cè)試時(shí)間為1小時(shí)）；δ=1.59×10-5%（溫度波動(dòng)為20～45℃），
   儀表每隔2秒對(duì)來(lái)自傳感器的電脈沖進(jìn)行處理。即按數(shù)學(xué)模型編程運(yùn)算，取四字級(jí)浮點(diǎn)運(yùn)算，經(jīng)測(cè)試，運(yùn)算誤差不大于5×10-5%。
   前置處理電路在正常輸入信號(hào)頻率范圍內(nèi)，不會(huì)增加總體測(cè)量誤差，因此，即使在zui壞工作條件下，zui大相對(duì)誤差由以上三項(xiàng)誤差及軟件運(yùn)算誤差δc合成而得，即

由此可見(jiàn)，所研制的粘度補(bǔ)償式渦輪流量計(jì)流量計(jì)算顯示儀表的整體精度優(yōu)于10-6。

                              五 渦輪流量計(jì)的應(yīng)用

   早在60年代，國(guó)外就將渦輪流量計(jì)用于石油工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)原油及其成品油進(jìn)行測(cè)量，例如英國(guó)北海油田就是應(yīng)用渦輪流量計(jì)計(jì)量原油和水的流量，一般而言，適用于原油外輸計(jì)量的流量計(jì)，也僅為渦輪流量計(jì)（或容積式流量計(jì)），美國(guó)石油學(xué)會(huì)石油計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)AP12534為此制定了“用渦輪流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴”的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。渦輪流量計(jì)之所以能夠廣泛地應(yīng)用于石油工業(yè)領(lǐng)域。是因?yàn)闇u輪流量計(jì)比其他形式的流量計(jì)，如容積式流量計(jì)更突出的優(yōu)點(diǎn)，如渦輪流量計(jì)具有流量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，渦輪流量計(jì)能夠經(jīng)受?chē)?yán)重的脈動(dòng)而引起的超出流量上限的流量，以及流量計(jì)不會(huì)因?yàn)橐后w中所夾帶的固體物從而導(dǎo)致管路系統(tǒng)的阻塞，一般小顆粒物質(zhì)經(jīng)過(guò)流量計(jì)時(shí)也不會(huì)引起損壞。但是，容積式流量計(jì)就不能容忍液體中夾帶固體顆粒，這不僅會(huì)使流量計(jì)發(fā)生故障，更嚴(yán)重的是，一旦流量計(jì)卡死不轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致液體的阻塞而引起系統(tǒng)過(guò)壓的現(xiàn)象，因此我們相信，渦輪流量計(jì)將會(huì)在石油工業(yè)領(lǐng)域，以及其他領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

   隨著渦輪流量計(jì)在測(cè)量粘性介質(zhì)的流量方而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)“渦輪流量計(jì)的粘性介質(zhì)測(cè)量”方面的研究也就越來(lái)越將體現(xiàn)出其重要的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。