1 渦輪的工作原理
渦輪流量計(jì)由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成。
渦輪流量計(jì)的原理示意圖如圖3—1所示．在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐．當(dāng)流體通過管道時(shí)，沖擊渦輪葉片，對(duì)渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jì)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(cè)．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(shí)，就會(huì)引起傳感線圈中的磁通變化．傳感線圈將檢測(cè)到的磁通周期變化信號(hào)送入前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號(hào)，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(shí)亦將脈沖信號(hào)送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時(shí)流量值．
渦輪流量計(jì)總體原理框用見圖3—2所示．
被測(cè)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(jì)數(shù)和顯示，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計(jì)脈沖數(shù)即可求出瞬時(shí)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(dòng)，并沖擊渦輪葉片時(shí)，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(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，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(dòng)的電勢(shì)信號(hào)，此脈動(dòng)信號(hào)的頻率與被測(cè)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(dòng)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(shí)，變送器的輸出的脈沖數(shù)。
渦輪變送器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)前置于放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。
2．渦輪流量計(jì)的構(gòu)造
流體從機(jī)殼的進(jìn)口流入．通過支架將一對(duì)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(duì)流體起導(dǎo)向作用，以避免流體自旋而改變對(duì)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(hào)．
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(duì)流速有很好的響應(yīng)，要求質(zhì)量盡可能小．對(duì)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(dòng)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(shí)會(huì)對(duì)渦輪產(chǎn)生一個(gè)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(gè)△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(shí)磁阻最小，兩葉片空隙在磁鋼下方時(shí)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(shì)，送入放大整形電路，變成脈沖信號(hào)．輸出脈沖的頻率與通過流量計(jì)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(jì)輸出脈沖頻率；
qv——通過流量計(jì)的流量．
該比例系數(shù)亦稱為渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)。
圖3－4 渦輪流量計(jì)前置放大器原理圖
(4)信號(hào)接收與顯示
信號(hào)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(hào)變換成累積流量和瞬時(shí)流量并顯示．
2 渦輪流量計(jì)的選型
計(jì)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(chǎng)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(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)并把它轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)字電信號(hào)，它電磁線圈電壓輸出值接近正弦曲線，脈沖信號(hào)的頻率范圍隨測(cè)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(jì)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(dòng)方向與儀表外殼的箭頭方向一致，不得裝反。
(4）被測(cè)介質(zhì)對(duì)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(duì)磁感應(yīng)部分不能碰撞。
4渦輪流量計(jì)的組態(tài)與校正
標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定方法是十點(diǎn)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(jì)的顯示儀表
顯示儀表的任務(wù)是將單位時(shí)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(hào)，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(hào)民，再經(jīng)過頻率/電流轉(zhuǎn)換電路，將頻率信號(hào)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流信號(hào)（4～20mA）再轉(zhuǎn)換能瞬時(shí)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(xiàng)
（1）安裝渦輪流量計(jì)前，管道要清掃。被測(cè)介質(zhì)不潔凈時(shí)，要加過濾器。否則渦輪、軸承易被卡住，測(cè)不出流量來。
（2）拆裝流量計(jì)時(shí)，對(duì)磁感應(yīng)部分不能碰撞。
（3）投運(yùn)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(jì)時(shí)，前后管道法蘭要水平，否則管道應(yīng)力對(duì)流量計(jì)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(jì)，有強(qiáng)大的功能軟件，并設(shè)有RS232標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)通信接口，對(duì)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(jì)在工業(yè)臨近生產(chǎn)過程中更方便實(shí)用。
總之，渦輪流量計(jì)是一種速度式流量儀表，由于具有測(cè)量精度高，反應(yīng)速度快，測(cè)量范圍廣，價(jià)格低廉，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。
