渦輪流量計的理論與實踐

一 前言

   傳統(tǒng)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(guī)定被測液體粘度不得大于5MPaS，否則將產(chǎn)生嚴重誤差。如何用傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)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(tǒng)渦輪流量傳感器，運用相應(yīng)粘度補償模型，并配以本積算顯示儀表，就可以實現(xiàn)對粘性液體的流量測量。

                               二 介質(zhì)粘性影響試驗

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(zhì)粘性影響的試驗，試驗裝置如圖1所示。試驗介質(zhì)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(jié)果。圖中K為實際儀表常數(shù) 
E為相同誤差，定義為
 （3）
   由試驗結(jié)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(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。從這個試驗結(jié)果說明，小流量時，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(shù)僅取次于 f/v, 即
因此，我們將試驗數(shù)據(jù)在單對數(shù)坐標紙上，以f/v作為橫坐標，重新作圖，如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù)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(shù)，計算方法參閱文獻（5）
經(jīng)計算表明，對圖3所示通用粘度曲線可以進行分段擬合，經(jīng)分段正交曲線擬合的曲線如圖4、圖5所示。由圖可見，當f/L>30 (約Re>5000 )時，Ф曲線接近水平直線，即這時儀表數(shù)為 “常數(shù)”。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(shù)偏離實際儀表常數(shù)的相對誤差。模型中，當f/L<30時，模型計算的儀表常數(shù)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(qū)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(xiàn)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(tài)。模型中的系數(shù)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(shù)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(shù) （m3/h ）
（5） 累積流量顯示 8 位十進整數(shù)， 7 位十進小數(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)對儀表 中的微處理器震蕩頻率進行測試，內(nèi)容包括；（1）芯片電源電壓波動對頻率的影響；（2）環(huán)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(wěn)壓電源，數(shù)字電壓表，頻率計進行測試，測試結(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(xù)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(shù)學(xué)模型編程運算，取四字級浮點運算，經(jīng)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(nèi)，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(yōu)于10-6。

                              五 渦輪流量計的應(yīng)用

   早在60年代，國外就將渦輪流量計用于石油工業(yè)領(lǐng)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(yīng)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(xué)會石油計量標準AP12534為此制定了“用渦輪流量計計量液態(tài)烴”的計量標準。渦輪流量計之所以能夠廣泛地應(yīng)用于石油工業(yè)領(lǐng)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(yōu)點，如渦輪流量計具有流量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、使用壽命長等優(yōu)點，更重要的是，渦輪流量計能夠經(jīng)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(dǎo)致管路系統(tǒng)的阻塞，一般小顆粒物質(zhì)經(jīng)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(fā)生故障，更嚴重的是，一旦流量計卡死不轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致液體的阻塞而引起系統(tǒng)過壓的現(xiàn)象，因此我們相信，渦輪流量計將會在石油工業(yè)領(lǐng)域，以及其他領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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