一、概述

氣體的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，因此在結(jié)構(gòu)上與液體渦輪流量計(jì)有顯著差別，且氣體的密度受溫度、壓力的變化影響較大。因此進(jìn)行氣體體積流量測量時，多采用帶溫度、壓力補(bǔ)償功能的氣體渦輪流量計(jì)，以達(dá)到準(zhǔn)確測量氣體介質(zhì)的目的。這種渦輪流量計(jì)在測量體積流量的同時，必須跟蹤檢測氣體介質(zhì)的溫度和壓力，并將不同工況條件下的氣體體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（ρ=101.325kPa， T=273.15K）的體積流量。這種溫度、壓力補(bǔ)償型的氣體渦輪流量計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖1.10所示。

溫度、壓力補(bǔ)償型氣體渦輪流量計(jì)可采用電磁感應(yīng)原理將渦輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為與流體體積流量成正比的脈沖信號。該信號經(jīng)放大、濾波、整形后輸入運(yùn)算器，與溫度、壓力信號一起進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算器按照氣體狀態(tài)方程進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果可以就地顯示或用多種信號形式遠(yuǎn)傳。

氣體狀態(tài)方程可寫為

Pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮海?kPa；

P_E——流量計(jì)壓力檢測點(diǎn)的表壓力， kPa；

P₀——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa） ；

T₀——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度（273.15K）；

T——被測介質(zhì)溫度（273.15十 t ） K；

t ——被測介質(zhì)溫度， ⁰C；

   —— 氣體壓縮因子（對于天然氣壓縮因子，可按中國石油天然氣總公司ST/T6143——1996標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）；

Zn —— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)；

Zg —— 工作狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。

如采用各類單片機(jī)技術(shù)和微功耗技術(shù)作為運(yùn)算器，則除了溫度、壓力補(bǔ)償外，還可以有報(bào)警、自診斷、信號遠(yuǎn)傳等多種功能，做到功能強(qiáng)、運(yùn)算度高、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、測量范圍寬、重復(fù)性好。氣體渦輪流量計(jì)可廣泛應(yīng)用于單相氣體（包括壓縮氣體）標(biāo)準(zhǔn)體積總量的計(jì)量，是石油、化工、電力、冶金以及城市燃?xì)夤芫W(wǎng)等行業(yè)氣體計(jì)量的理想儀表。

二、智能氣體渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)

智能氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在通用渦輪流量計(jì)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的傳感器組件和微處理器構(gòu)成的，主要由流量積算儀、溫度傳感器組件、壓力傳感器組件、渦輪流量傳感器四大部分組成。

（一）渦輪流量傳感器設(shè)計(jì)

渦輪流量傳感器由表體、整流器、渦輪、軸、軸承及信號檢測器組成。

（1）表體   表體是傳感器的主體部件，它起到承受被測流體的壓力、固定安裝檢測部件、連接管道的作用。表體采用不導(dǎo)磁的不銹鋼或硬鋁合金制造。表體從外壁裝入溫度、壓力等信號檢測器。測壓孔取位于整流器距離進(jìn)口1/2~2/3的位置，直徑不得大于3mm；測溫孔取位于渦輪定位座后2D以內(nèi)。

（2）整流器   在傳感器的進(jìn)口安裝整流器，它對流體起導(dǎo)向整流以及支撐葉輪的作用。整流器的設(shè)計(jì)目的是調(diào)整氣流的速度分布剖面。整流器導(dǎo)流體的外徑設(shè)計(jì)同渦輪輪殼外徑。為了使流體的分布均勻，要將整流器設(shè)計(jì)成軸對稱結(jié)構(gòu)。材質(zhì)要求選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。

（3）渦輪    渦輪亦稱葉輪，是傳感器的檢測元件，它由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，也可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來增加一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率。葉輪由支架中軸承支撐，與表體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)。葉輪的動平衡很重要，直接影響儀表性能和使用壽命。葉輪是變送器的敏感元件，也是關(guān)鍵元件，所以葉輪的設(shè)計(jì)將直接影響到變送器的性能好壞。由于儀表常數(shù) k 是葉片安裝角β、頂隙 Δr 、葉柵重疊度以及流通截面的函數(shù)，所以選擇理想的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)是很重要的。

（4）軸與軸承    軸與軸承支撐葉輪旋轉(zhuǎn)，需有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等，它決定著傳感器的可靠性和使用期限。流量傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是很重要的。同時，軸承阻力矩的大小影響流量計(jì)的計(jì)量性能，為了提高計(jì)量的度，得到好的小流量特性，對軸、軸承的設(shè)計(jì)原則是使軸承阻力矩盡可能小。

（二） 流量積算儀設(shè)計(jì)

1.流量積算儀的工作原理

流量積算儀是多功能電子式氣體體積校正儀。它接收流量脈沖信號，與高度溫度、壓力傳感器配接，可完成采集溫度、壓力、流量脈沖信號，計(jì)算、記錄標(biāo)準(zhǔn)工況 （ ρ=101.325kPa， T=273.15K。根據(jù)用戶要求可取 T =273.15K ） 和實(shí)際工況下的瞬時及累積流量，記錄壓力、溫度及狀態(tài)參數(shù)，并對部分狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。

主要功能如下。

①采集流量計(jì)的實(shí)測體積信號。

②測量氣體溫度和壓力。

③分別計(jì)算、顯示、記錄工況和標(biāo)況瞬時流量，實(shí)時數(shù)據(jù)更新。

④根據(jù)用氣單位、供氣單位等不同用戶情況，賦予不同的用戶權(quán)限，允許用戶根據(jù)實(shí)際情況變更數(shù)據(jù)，這樣利于用戶用氣管理。

⑤信息顯示。

⑥報(bào)警信號管理。

⑦數(shù)據(jù)庫管理定時記錄累計(jì)體積、壓力、溫度等。

⑧具備脈沖、模擬、RS-485多種輸出信號方式。

⑨低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)電源、外供電兩種供電方式結(jié)合，正常工作條件下，一般要求5年內(nèi)無需更換電池。

流量積算儀由溫度、壓力檢測模擬通道，流量檢測數(shù)字通道，以及微處理單元、液晶驅(qū)動電路和其他輔助電路組成，并配有外輸出信號接口，其工作原理如圖1.11所示。從各傳感器送來的多路信號經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后，由微處理器按照氣體狀態(tài)方程代入公式運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)就地顯示和多種信號遠(yuǎn)傳。

2、流量積算儀設(shè)計(jì)步驟

流量積算儀的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換蘭大部分。下面是各部分電路設(shè)計(jì)的實(shí)例。

（1） 溫度采集電路設(shè)計(jì)為了保證采集到的溫度信號的脈沖波形不產(chǎn)生失真，以至于影響對溫度的監(jiān)測，可以為溫度傳感器設(shè)計(jì)各種橋式濾波電路。該電橋電路首先對采集到的信號進(jìn)行穩(wěn)壓，隨后利用脈沖分壓器的補(bǔ)償電容對信號進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出脈沖電壓幅值變得平穩(wěn)，并確保波形不產(chǎn)生失真。基本電路如圖1.12所示。

（2） 壓力采集電路設(shè)計(jì)    壓力采集電路同溫度采集電路一樣，是為了保證采集到的電信號平穩(wěn)，并能保持原采集信號的波形，因此該電路的設(shè)計(jì)思路同溫度采集電路的設(shè)計(jì)思路相同。由于考慮到采集到的壓力信號的變化幅度較大，為了確保壓力信號能夠平穩(wěn)，其穩(wěn)壓電路可設(shè)計(jì)為全波橋式整流電路，基本電路如圖1.13所示。

（3）流量脈沖采集保護(hù)電路設(shè)計(jì)由于流量脈沖信號易于受到外界電磁場的干擾而影響 對信號的檢測結(jié)果，因此為了防止外界電磁場的干擾，應(yīng)該為脈沖輸入信號設(shè)計(jì)保護(hù)電路。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)可以根據(jù)具體選定的流量信號傳感器的類別采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

（4）流量脈沖輸出電路及脈沖輸出報(bào)警電路的設(shè)計(jì)流量輸出不僅存在傳輸干擾，而且 外部控制信號有可能反向產(chǎn)生干擾信號。為了避免干擾影響流量測量結(jié)果，且能夠在電池電量不足、掉電等情況下，提醒工作人員更換電池，設(shè)計(jì)報(bào)警電路在上述情況下進(jìn)行報(bào)警，并要求控制器自動存儲該時刻的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瞬時流量、累加流量、溫度、壓力及工況下的累加流量、掉電時刻的時間，以便人工進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。流量脈沖輸出電路和報(bào)警電路設(shè)計(jì)采用光電隔離技術(shù)進(jìn)行保護(hù)，具體電路設(shè)計(jì)如圖1.14所示。

該電路首先將采集到的流量脈沖信號通過簡單的共發(fā)射極放大電路進(jìn)行放大，然后將放大的電信號經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并利用復(fù)合濾波電路對轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行整形輸出，這樣就可獲得比較平滑的電信號。

（5）通信接口電路設(shè)計(jì)采集到的流量信號及處理后的計(jì)量數(shù)據(jù)通過 RS-485 或 RS-232 可以進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理和控制。對于總線通信接口，選用 MAX485 或 MAX232 。硬件設(shè)計(jì)要同時包括有 MAX485 和 MAX232，對于在信息傳輸時用哪一個接口是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。其具體電路設(shè)計(jì)如圖 1. 15 所示。

（6）數(shù)據(jù)傳輸框圖系統(tǒng)帶有 RS-485 或 RS-232 總線通信方式的數(shù)據(jù)接口，可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸所有的存儲數(shù)據(jù)和信息，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程收費(fèi)和管理，且可以在數(shù)據(jù)傳輸時自動切換到外供電，不消耗電池電能。數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖1.16所示。

（7）軟件設(shè)計(jì)根據(jù)智能氣體渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時，假定渦輪在正常工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)子以恒定的角速度 ω 運(yùn)轉(zhuǎn)，則驅(qū)動力矩等于各阻力矩之和。如方程（1.1）所示。采用前述的一元流動模型或二元流動模型，根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算驅(qū)動力矩和各種阻力矩。計(jì)算時，先設(shè)定渦輪的兩個轉(zhuǎn)速作為初始值，使在這兩個轉(zhuǎn)速時，平衡方程的左端分別大于零和小于零。取適當(dāng)?shù)牟介L，用兩分法自行迭代，計(jì)算得zui終渦輪轉(zhuǎn)速，使其在一定度下計(jì)算得出 ω 值，即可得到相應(yīng)的脈沖數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出 q₀ 。主程序框圖可參閱圖1.22。

經(jīng)過標(biāo)定的基礎(chǔ)表，配接智能頭后進(jìn)行測量時，利用應(yīng)用程序進(jìn)行流量計(jì)量的補(bǔ)償和修正，程序流程如圖1.17所示。

（三） 智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定和檢定

對智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定和檢定與普通氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定、檢定一樣，目的在于實(shí)現(xiàn)對流量計(jì)儀表換算系數(shù)、度、重復(fù)性、瞬時流量等技術(shù)指標(biāo)的測定和實(shí)時程序?qū)懭耄约皩?biāo)定數(shù)據(jù)的檢定。但由于智能氣體渦輪流量計(jì)的智能化，使得有些數(shù)據(jù)可以通過軟件直接設(shè)定，因而其標(biāo)定的方法和內(nèi)容與普通渦輪流量計(jì)的標(biāo)定方法有所不同。

（1） 標(biāo)定、檢定裝置標(biāo)定、檢定所需標(biāo)準(zhǔn)裝置是聲速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1.18所示。對于流量比較大的標(biāo)準(zhǔn)裝置，需選用水環(huán)式真空泵，因此還需配備冷卻塔、離心泵、地下水池、消音器。為了調(diào)整入口氣體流場和降低噪聲，還應(yīng)在入口處安裝喇叭形入口。被檢表的前后直管段應(yīng)足夠長。此外，還應(yīng)配備配電柜、計(jì)算機(jī)、夾表器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2） 產(chǎn)品標(biāo)定所謂標(biāo)定是對各流量段檢定流量、檢定時間、流量計(jì)脈沖數(shù)、平均儀表系數(shù)的寫入過程。考慮到標(biāo)定期間的環(huán)境溫度和環(huán)境壓力與標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力差別不大，所以不需進(jìn)行溫壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)定，而只標(biāo)定工況下基礎(chǔ)表的脈沖。

zui后，將標(biāo)定結(jié)果連同積算儀實(shí)測溫度、壓力回寫到積算儀，通過軟件對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。

智能氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)定、檢定過程與普通渦輪流量計(jì)的標(biāo)定、檢定過程存在一定的差異，這是由于其具有對實(shí)際工況的溫度、壓力補(bǔ)償和壓縮系數(shù)修正功能。事實(shí)上，通過其標(biāo)定過程就可以體現(xiàn)其間的差別。經(jīng)過測試表明，標(biāo)定的儀表換算系數(shù)通過軟件的控制及計(jì)算功能能夠很好地實(shí)現(xiàn)對測量流量的修正和補(bǔ)償目的，提高計(jì)量度。