涡轮流量计的理论与实践

一 前言

   传统涡轮流量计只能用来测量低粘度的液体流量，如水、汽油等。涡轮流量计制造厂一般也规定被测液体粘度不得大于5MPaS，否则将产生严重误差。如何用传统涡轮流量传感器准确测量液体粘度大于5MPaS的液体流量，如原油、机械油等的流量，则会引起我们广泛的重视。

   本研究采用LW型传统涡轮流量传感器作为研究对象，对其进行了广泛的理论和实验研究，得到了这种流量传感器的介质粘度补偿模型，与此同时，我们还研制了具有粘度自动补偿功能的涡轮流量计积算显示仪表，这样传统涡轮流量传感器，运用相应粘度补偿模型，并配以本积算显示仪表，就可以实现对粘性液体的流量测量。

                               二 介质粘性影响试验

Hochreiter(1)和 Shafer(2)曾给出了涡轮流量传感介质粘性影响的物理模型。
 （1）
式中
f---------传感器发出的频率；
Q-------- 瞬时流量；
v---------被测液体的运动粘度。
式（1）即称为“涡轮流量计的通用粘度曲线”。其中，Φ为一多项式；Φ的形式必须通过实验确定。
为此，我们首先进行了介质粘性影响的试验，试验装置如图1所示。试验介质粘度变化范围为1～95.6MPaS；试验涡轮流量传感器的型号为LW—25型。
 （2）
图2给出了试验结果。图中K为实际仪表常数
E为相同误差，定义为
 （3）
   由试验结果知。当粘度达到8.91mm2/s及更大时，传感器几乎失去线性范围，从图中还可以看到，在较小流量下，传感器仪表常数随粘度变化较大；而且，粘度越大，仪表常数越小，而在较大流量下，粘度影响就小得多。从这个试验结果说明，小流量时，介质粘性起着重要的作用，而在大流量下，粘度的作用就显得不重要了。

                          三 正交多项式粘度补偿模型

由涡轮流量计的通用粘度曲线模型知，仪表常数仅取次于 f/v, 即
因此，我们将试验数据在单对数坐标纸上，以f/v作为横坐标，重新作图，如图3所示。结果发现，原来分散的几条粘度曲线合成一条曲线，这就是通用粘度曲线。

我们采用任意步长的正交曲线拟合方法，将试验数据重新按f/L方式整理，然后进行正交多项式拟合
式中 公式 均为系数，计算方法参阅文献（5）
经计算表明，对图3所示通用粘度曲线可以进行分段拟合，经分段正交曲线拟合的曲线如图4、图5所示。由图可见，当f/L>30 (约Re>5000 )时，Ф曲线接近水平直线，即这时仪表数为 “常数”。图4、图5曲线的公式表达为
以上就是试验涡轮流量计的粘度补偿模型。式中 δ 反映了模型计算的仪表常数偏离实际仪表常数的相对误差。模型中，当f/L<30时，模型计算的仪表常数偏离实际值*大**值为2.03%，故该段曲线的拟合精度为±2.5%，而当f/L≥30时，模型计算值偏离实际值*大**值为0.96%，故若仪表在此区间工作，其精度可达±1%。
                               四 在线粘度补偿

   为了能使涡轮流量计实现在线自动粘度补偿测量，我们同时还研制了粘度补偿式涡轮流量计流量计算显示仪表(以下简称仪表)仪表在实时测量前，只要输入流体的粘度v（单位为mm2/S）即可进入测量状态。模型中的系数bj已固化在仪表中，仪表是一台以单片微机8031为核心的流量积算显示仪表。仪表的工作原理框图如图6所示。

仪表主要技术指标如下；
（1） 适用传感口径 6～ 50（mm）
（2） 粘度补偿范围 1～ 100 （mPaS）
（3） 补偿精度 ±1%。 ±2.5% （含传感器误差）
（4） 瞬时流量显示 6 位十进制数 （m3/h ）
（5） 累积流量显示 8 位十进整数， 7 位十进小数（m3）
（6） 模拟输出 4～ 20 （mA）
   为考核仪表的环境适应能力，我们转对仪表 中的微处理器震荡频率进行测试，内容包括；（1）芯片电源电压波动对频率的影响；（2）环境温度变化对频率的影响；（3）时间对频率的影响，测试时，将8031芯片及6MHz晶振等单元电路置于超级恒温水浴中，外接一稳压电源，数字电压表，频率计进行测试，测试结果表明，电压漂移影响*小。温度影响*大。取置信度为99.0%。三者的相对极限误差分别为 δv=1.30×10-6% （电压波动为5±0.5V ）；δ=3.55×10-6% （连续测试时间为1小时）；δ=1.59×10-5%（温度波动为20～45℃），
   仪表每隔2秒对来自传感器的电脉冲进行处理。即按数学模型编程运算，取四字级浮点运算，经测试，运算误差不大于5×10-5%。
   前置处理电路在正常输入信号频率范围内，不会增加总体测量误差，因此，即使在*坏工作条件下，*大相对误差由以上三项误差及软件运算误差δc合成而得，即

由此可见，所研制的粘度补偿式涡轮流量计流量计算显示仪表的整体精度优于10-6。

                              五 涡轮流量计的应用

   早在60年代，国外就将涡轮流量计用于石油工业领域中，对原油及其成品油进行测量，例如英国北海油田就是应用涡轮流量计计量原油和水的流量，一般而言，适用于原油外输计量的流量计，也仅为涡轮流量计（或容积式流量计），美国石油学会石油计量标准AP12534为此制定了“用涡轮流量计计量液态烃”的计量标准。涡轮流量计之所以能够广泛地应用于石油工业领域。是因为涡轮流量计比其他形式的流量计，如容积式流量计更突出的优点，如涡轮流量计具有流量范围宽、结构紧凑、简单、使用寿命长等优点，更重要的是，涡轮流量计能够经受严重的脉动而引起的超出流量上限的流量，以及流量计不会因为液体中所夹带的固体物从而导致管路系统的阻塞，一般小颗粒物质经过流量计时也不会引起损坏。但是，容积式流量计就不能容忍液体中夹带固体颗粒，这不仅会使流量计发生故障，更严重的是，一旦流量计卡死不转，将导致液体的阻塞而引起系统过压的现象，因此我们相信，涡轮流量计将会在石油工业领域，以及其他领域得到越来越广泛的应用。

   随着涡轮流量计在测量粘性介质的流量方而得到越来越广泛的应用，国内外对“涡轮流量计的粘性介质测量”方面的研究也就越来越将体现出其重要的价值和现实意义。