渦輪流量計的理論與實踐

一 前言

   傳統渦輪流量計只能用來測量低粘度的液體流量，如水、汽油等。渦輪流量計制造廠一般也規定被測液體粘度不得大于5MPaS，否則將產生嚴重誤差。如何用傳統渦輪流量傳感器準確測量液體粘度大于5MPaS的液體流量，如原油、機械油等的流量，則會引起我們廣泛的重視。

   本研究采用LW型傳統渦輪流量傳感器作為研究對象，對其進行了廣泛的理論和實驗研究，得到了這種流量傳感器的介質粘度補償模型，與此同時，我們還研制了具有粘度自動補償功能的渦輪流量計積算顯示儀表，這樣傳統渦輪流量傳感器，運用相應粘度補償模型，并配以本積算顯示儀表，就可以實現對粘性液體的流量測量。

                               二 介質粘性影響試驗

Hochreiter(1)和 Shafer(2)曾給出了渦輪流量傳感介質粘性影響的物理模型。
 （1）
式中 
f---------傳感器發出的頻率；
Q-------- 瞬時流量；
v---------被測液體的運動粘度。
式（1）即稱為“渦輪流量計的通用粘度曲線”。其中，Φ為一多項式；Φ的形式必須通過實驗確定。
為此，我們首先進行了介質粘性影響的試驗，試驗裝置如圖1所示。試驗介質粘度變化范圍為1～95.6MPaS；試驗渦輪流量傳感器的型號為LW—25型。
 （2）
圖2給出了試驗結果。圖中K為實際儀表常數 
E為相同誤差，定義為
 （3）
   由試驗結果知。當粘度達到8.91mm2/s及更大時，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，傳感器儀表常數隨粘度變化較大；而且，粘度越大，儀表常數越小，而在較大流量下，粘度影響就小得多。從這個試驗結果說明，小流量時，介質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 正交多項式粘度補償模型

由渦輪流量計的通用粘度曲線模型知，儀表常數僅取次于 f/v, 即
因此，我們將試驗數據在單對數坐標紙上，以f/v作為橫坐標，重新作圖，如圖3所示。結果發現，原來分散的幾條粘度曲線合成一條曲線，這就是通用粘度曲線。

我們采用任意步長的正交曲線擬合方法，將試驗數據重新按f/L方式整理，然后進行正交多項式擬合
式中 公式 均為系數，計算方法參閱文獻（5）
經計算表明，對圖3所示通用粘度曲線可以進行分段擬合，經分段正交曲線擬合的曲線如圖4、圖5所示。由圖可見，當f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲線接近水平直線，即這時儀表數為 “常數”。圖4、圖5曲線的公式表達為
以上就是試驗渦輪流量計的粘度補償模型。式中 δ 反映了模型計算的儀表常數偏離實際儀表常數的相對誤差。模型中，當f/L<30時，模型計算的儀表常數偏離實際值zui大值為2.03%，故該段曲線的擬合精度為±2.5%，而當f/L≥30時，模型計算值偏離實際值zui大值為0.96%，故若儀表在此區間工作，其精度可達±1%。
                               四 在線粘度補償

   為了能使渦輪流量計實現在線自動粘度補償測量，我們同時還研制了粘度補償式渦輪流量計流量計算顯示儀表(以下簡稱儀表)儀表在實時測量前，只要輸入流體的粘度v（單位為mm2/S）即可進入測量狀態。模型中的系數bj已固化在儀表中，儀表是一臺以單片微機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。

儀表主要技術指標如下；
（1） 適用傳感口徑 6～ 50（mm）
（2） 粘度補償范圍 1～ 100 （mPaS）
（3） 補償精度 ±1%。 ±2.5% （含傳感器誤差）
（4） 瞬時流量顯示 6 位十進制數 （m3/h ）
（5） 累積流量顯示 8 位十進整數， 7 位十進小數（m3）
（6） 模擬輸出 4～ 20 （mA）
   為考核儀表的環境適應能力，我們轉對儀表 中的微處理器震蕩頻率進行測試，內容包括；（1）芯片電源電壓波動對頻率的影響；（2）環境溫度變化對頻率的影響；（3）時間對頻率的影響，測試時，將8031芯片及6MHz晶振等單元電路置于超級恒溫水浴中，外接一穩壓電源，數字電壓表，頻率計進行測試，測試結果表明，電壓漂移影響zui小。溫度影響zui大。取置信度為99.0%。三者的相對極限誤差分別為 δv=1.30×10-6% （電壓波動為5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （連續測試時間為1小時）；δ=1.59×10-5%（溫度波動為20～45℃），
   儀表每隔2秒對來自傳感器的電脈沖進行處理。即按數學模型編程運算，取四字級浮點運算，經測試，運算誤差不大于5×10-5%。
   前置處理電路在正常輸入信號頻率范圍內，不會增加總體測量誤差，因此，即使在zui壞工作條件下，zui大相對誤差由以上三項誤差及軟件運算誤差δc合成而得，即

由此可見，所研制的粘度補償式渦輪流量計流量計算顯示儀表的整體精度優于10-6。

                              五 渦輪流量計的應用

   早在60年代，國外就將渦輪流量計用于石油工業領域中，對原油及其成品油進行測量，例如英國北海油田就是應用渦輪流量計計量原油和水的流量，一般而言，適用于原油外輸計量的流量計，也僅為渦輪流量計（或容積式流量計），美國石油學會石油計量標準AP12534為此制定了“用渦輪流量計計量液態烴”的計量標準。渦輪流量計之所以能夠廣泛地應用于石油工業領域。是因為渦輪流量計比其他形式的流量計，如容積式流量計更突出的優點，如渦輪流量計具有流量范圍寬、結構緊湊、簡單、使用壽命長等優點，更重要的是，渦輪流量計能夠經受嚴重的脈動而引起的超出流量上限的流量，以及流量計不會因為液體中所夾帶的固體物從而導致管路系統的阻塞，一般小顆粒物質經過流量計時也不會引起損壞。但是，容積式流量計就不能容忍液體中夾帶固體顆粒，這不僅會使流量計發生故障，更嚴重的是，一旦流量計卡死不轉，將導致液體的阻塞而引起系統過壓的現象，因此我們相信，渦輪流量計將會在石油工業領域，以及其他領域得到越來越廣泛的應用。

   隨著渦輪流量計在測量粘性介質的流量方而得到越來越廣泛的應用，國內外對“渦輪流量計的粘性介質測量”方面的研究也就越來越將體現出其重要的價值和現實意義。