液體渦輪流量計
一、概述
渦輪流量計（以下簡稱TUF）是葉輪式流量 （流速）計的主要品種，葉輪式流量計還有風速計、 水表等。TUF由傳感器和轉換顯示儀組成，傳感器采用多葉片的轉子感受流體的平均流速，從而推導出流量或總量。轉子的轉速 （或轉數）可用機械、磁感應、光電方式檢出并由讀出裝置進行顯示和傳送記錄。據稱美國早在1886 年即發布過*個TUF ，1914 年的認為TUF 的流量與頻率有關。 美國的*臺 TUF 是在 1938 年開發的，它用于飛機上燃油的流量測量，只是直至二戰后因噴氣發動機和液體噴氣燃料急需一種高精度、快速響應的流量計才使它獲得真正的工業應用。如今，它已在石油、化工、科研、國防、計量各部門中獲得廣泛應用。
流量計中TUF、容積式流量計和科氏質量流量計是三類重復性、度*的產品，而TUF 又具有自己的特點，如結構簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大和可適應高參數等，是其他兩類流量計是難以達到的。
HPLW系列渦輪流量計是吸取了國內外流量儀表*技術經過優化設計，具有結構簡單、輕巧、精度高、復現性好、反應靈敏，安裝維護使用方便等特點的新一代渦輪流量計，廣泛用于測量封閉管道中與不銹鋼 1Cr18Ni9Ti、2Cr13 及剛玉Al 2O3 、硬質合金不起腐蝕作用，且無纖維、顆粒等雜質，工作溫度下運動粘度小于 5×10-6m2 /s 的液體，對于運動粘度大于5×10-6m2 /s的液體，可對流量計進行實液標定后使用。若與具有特殊功能的顯示儀表配套，還可以進行定量控制、超量報警等，是流量計量和節能的理想儀表。
二、工作原理
如圖所示為渦輪流量傳感器結構簡圖，由圖可見，當被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪的轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值。檢測線圈中的磁通隨之發生周期性變化，產生周期性的感應電勢，即電脈沖信號，經放大器放大后，送至顯示儀表顯示。
渦輪流量計的流量方程可分為兩種：實用流量方程和理論流量方程。
（1）實用流量方程
q v =f/K 公式1
qm=qvρ 公式2
式中 q v , q……分別為體積流量，m3/s，質量流量，kg/s;
f ……流量計輸出信號的頻率，Hz;
K ……流量計的儀表系數，P/m3。
流量計的系數與流量 （或管道雷諾數）的關系曲線如圖2 所示。由圖可見，儀表系數可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結構尺寸及流體粘性有關。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當流量低于傳感器流量下*，儀表系數隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關系。當流量超過流量上*要注意防止空穴現象。結構相似的TUF 特性曲線的形狀是相似的，它僅在系統誤差水平方面有所不同。
傳感器的儀表系數由流量校驗裝置校驗得出，它*不問傳感器內部流體機理，把傳感器作為一個黑匣子，根據輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號）確定其轉換系數，它便于實際應用。但要注意，此轉換系數（儀表系數）是有條件的，其校驗條件是參考條件，如果使用時偏離此條件系數將發生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數的情況而定。
（2） 理論流量方程
根據動量矩定理可以列出葉輪的運動方程
J = M 1 - M 2 - M 3 - M 4 公式 3
式中 J ： 葉輪的慣性矩；
dw/dt ： 葉輪的旋轉加速度；
M1 ： 流體的驅動力拒；
M2 ： 粘性阻力矩；
M3 ： 軸承摩擦阻力矩；
M4 ： 磁阻力矩。
當葉輪以恒速旋轉時，J = 0，則M1 =M2 +M3 +M4。論分析與實驗驗證可得
n = Aqv + B - 公式 4
式中 n： 葉輪轉速；
qv： 體積流量；
A ： 與流體物性 （密度、粘度等），葉輪結構參數 （情片傾角、葉輪直徑、
流道截面積等）有關的系數；
B ： 與情片頂隙，流體流速分布有關的系數；
C ： 與摩擦力矩有關的系數。
國內外學者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結構及流體工作條件。至今渦輪儀表特性的水動力學特性仍舊不很清楚，它與流體物性及流動特性有復雜的關系。比如當流場有旋渦和非對稱速度分布時水動力學特性就非常復雜。不能用理論式推導儀表系數，儀表系數仍需由實流校驗確定。但是理論流量方程有巨大的實用意義，它可用于指導傳感器結構參數設計及現場使用條件變化時儀表系數變化規律的預測和估算。
三、產品特點
1. 高度，一般可達±1%R、±0.5%R，高精度型可達±0.2%R；
2. 重復性好，短期重復性可達0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重復性，如經常校準或在線校準可得到*的度；
3. 輸出脈沖頻率信號，適于總量計量及與計算機連接，無零點漂移，抗*力強；
4. 可獲得很高的頻率信號 （3~4kHz），信號分辨力強；
5. 范圍度寬，中大口徑可達1:20，小口徑為 1:10；
6. 結構緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大；
7. 適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表；
8. 型傳感器類型多，可根據用戶特殊需要設計為各類型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型、混砂型等；
9. 可制成插入型，適用于大口徑測量，壓力損失小，價格低，可不斷流取出，安裝維護方便。
四、基本參數與技術性能
1.技術性能 表 1
2.測量范圍及工作壓力 表2
五、儀表分類
1．按儀表功能分類，HPLWGY系列渦輪流量計可分為2 大類，即：
●渦輪流量傳感器/變送器
●智能一體化渦輪流量計
2．功能說明
●渦輪流量傳感器/變送器
該類渦輪流量產品本身不具備現場顯示功能，僅將流量信號遠傳輸出。流量信號可分為脈沖信號或電流信號 （4-20mA ）；儀表價格低廉，集成度高，體積小巧，特別適用于與二次顯示儀、PLC、DCS 等計算機控制系統配合使用。
按照不同的輸出信號，該類產品可分為HPLWGY-□N 型和HPLWGY-□A 型
HPLWGY-□N 型傳感器：12～24VDC 供電，三線制脈沖輸出，高電平≥8V，低電平≤0.8V；信號傳輸距離≤1000米；
HPLWGY-□A 型變送器：24VDC 供電，二線制4-20mA 輸出，信號傳輸距離≤1000。
該類渦輪流量產品均分為基本型和防爆型 （ExdIIBT6）兩種。
圖 3 圖 4
基本型傳感器 防爆型傳感器/變送器
●智能一體化渦輪流量計
采用*的超低功耗單片微機技術研制的渦輪流量傳感器與顯示積算一體化的新型智能儀表，采用雙排液晶現場顯示，具有機構緊湊、讀數直觀清晰、可靠性高、不受外界電源干擾、抗雷擊、成本低等明顯優點。儀表具備儀表系數三點修正，智能補償儀表系數非線性，并可進行現場修正。高清晰液晶顯示器同時顯示瞬時流量 （4 位有效數字）及累積流量 （8 位有效數字，帶清零功能）。所有有效數據掉電后保持 10年不丟。該類渦輪流量計均為防爆產品，防爆等級為：ExdIIBT6。
該類渦輪流量計按照供電方式、是否具備遠傳信號輸出可分為HPLWGY-□B 型和 HPLWGY-□C 型。
HPLWGY-□B 型：供電電源采用 3.2V10AH鋰電池 （可連續運行4年以上）； 無信號輸出功能。
HPLWGY-□C 型：供電電源采用 24VDC外供電，輸出4-20mA標準兩線制電流信號，并可根據不同的現場需要，可增加RS485或 HART 通訊。
圖 5
智能一體化渦輪流量計
六、儀表選型 表 3
注：DN15～DN40常規為螺紋連接，如希望采用法蘭連接，請在 “公稱通徑”后加 “（FL）”
例如，選用一臺法蘭連接式防爆型渦輪流量計測量柴油，管道為DN40、現場需要顯示并遠傳電流信號，要求精度 0.5 級，304 不銹鋼材質，儀表耐壓 16MPa 測量范圍為標準量程，其產品型號愓為：
HPLWGY-40（FL）/C/05/S/S/E/H16
七、安裝尺寸
傳感器的安裝方式根據規格不同，采用螺紋或法蘭連接，安裝方式見圖6、圖7、圖8，安裝尺寸 見表4。
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| 圖6 HPLWGY 4～10傳感器結構 | 圖7 HPLWGY 15～40傳感器結構 |
| 及安裝尺寸示意圖 | 及安裝尺寸示意圖 |
| 圖8 HPLWGY 50～200傳感器結構 | 表4 |
| 及安裝尺寸示意圖 |
八、流量計安裝注意事項
（1）安裝場所
傳感器應安裝在便于維修，管道無振動、無強電磁干擾與熱輻射影響的場所。渦輪流量計的典型安裝管路系統如圖9 所示。圖中各部分的配置可視被測對象情況而定，并不一定全部都需要。渦輪流量計對管道內流速分布畸變及旋轉流是敏感的，進入傳感器應為充分發展管流，因此要根據傳感器上游側阻流件類型配備必要的直管段或流動調整器，如表5 所示。若上游側阻流件情況不明確，一般推薦上游直管段長度不小于20D，下游直管段長度不小于5D，如安裝空 圖9
間不能滿足上述要求，可在阻流件與傳感器之間安裝流動調整器。傳感器安裝在室外時，應有避直射陽光和防雨淋的措施。
表 5
（2）連接管道的安裝要求
水平安裝的傳感器要求管道不應有目測可覺察的傾斜 （一般在5°以內），垂直安裝的傳感器管道垂直度偏差亦應小于 5°。
需連續運行不能停流的場所，應裝旁通管和可靠的截止閥 （見圖9），測量時要確保旁通管無泄漏。
在新鋪設管道裝傳感器的位置先介入一段短管代替傳感器，待：“掃線”工作完畢確認管道內清掃干凈后，再正式接入傳感器。由于忽視此項工作，掃線損壞傳感器屢見不鮮。
若流體含雜質，則應在傳感器上游側裝過濾器，對于不能停流的，應并聯安裝兩套過濾器輪流清除雜質，或選用自動清洗型過濾器。若被測液體含有氣體，則應在傳感器上游側裝消氣器。過濾器和消氣器的排污口和消氣口要通向安全的場所。
若傳感器安裝位置處于管線的低點，為防止流體中雜質沉淀滯留，應在其后的管線裝排放閥，定期排放沉淀雜質。
被測流體若為易氣化的液體，為防止發生氣穴，影響測量度和使用期限，傳感器的出口端壓力應高于公式 5 計算的zui低壓力Pmin
P min =2△p+1.25P v Pa 公式 5
式中 P min——zui低壓力，Pa；
△p ——傳感器zui大流量時壓力損失，Pa；
pv——被測液體zui高使用溫度時飽和蒸汽壓，Pa。
流量調節閥應裝在傳感器下游，上游側的截止閥測量時應全開，且這些閥門都不得產生振動和向外泄漏。對于可能產生逆向流的流程應加止回閥以防止流體反向流動。
傳感器應與管道同心，密封墊圈不得凸入管路。液體傳感器不應裝在水平管線的zui高點，以免管線內聚集的氣體 （如停流時混入空氣）停留在傳感器處，不易排出而影像測量。
傳感器前后管道應支撐牢靠，不產生振動。對易凝結流體要對傳感器及其前后管道采取保溫措施。
九、接線方式
●渦輪流量傳感器/變送器 （HPLWGY-□N 型、HPLWGY -□A 型）
1. 基本型 HPLWGY -□N 型
“24V+”（紅色線）接DC24V 正端；
“電源負”（白色線）接DC24V 負端；
“脈沖”（黃色線）接二次表脈沖輸入端。
2.防爆型 HPLWGY -□N 型
圖13
3. HPLWGY -□A 型
圖 14
●智能一體化渦輪流量計 （HPLWGY -□C 型）
圖 15
撥碼開關功能介紹：
撥到ON，GND 端子與儀表外殼接通，可解決50Hz干擾；
撥到OFF，GND端子與儀表外殼斷開。
注：當使用同一電源給多臺流量計供電時，必須將撥碼開關撥到OFF。
十、調試與使用
HPLWGY -□N基本型渦輪流量傳感器
基本型渦輪流量傳感器出廠前已進行了標定與調整，無需調試
傳感器與二次顯示儀表連接：首先核對傳感器的輸出特性 （輸出脈沖的頻率范圍、幅值、脈寬等）與顯示儀表輸入特性是否相配。按照傳感器的儀表系數設定顯示儀表的參數設置。核對傳感器電源和線制，以及阻抗匹配。還要考慮傳感器的前置放大器防電磁干擾，如在室外還應采取防雨淋等措施。
傳輸電纜通常用帶屏蔽和防護套的雙芯或三芯通信電纜，有效截面積 1.25~2mm 多股銅線。屏蔽線只能一端接地，在顯示儀表端接地。盡可能用一根完整的電纜 （即中間不接續）。電纜裝入金屬管里，以避免機械損傷。該金屬管如同時裝入另一電纜，則該電纜輸送zui大功率不能大于本儀表流量信號電纜輸送zui小功率的 10 倍。
傳輸電纜的路徑不應與動力電源線平行，也不要敷設在動力電源線集中的區域，以避免電磁場的干擾。
HPLWGY -□A 型渦輪流量變送器
根據客戶的訂貨要求，A 型渦輪流量變送器的流量輸出零點和滿度值在出廠前已經調試好。
在流量計運行后，如果現場需要對流量計的零點輸出進行調整，按以下方法進行：
關閉流量計管道的閥門，確認管道內沒有流量；接通流量計電源；串入電流表（萬用表的直流電流檔），監視流量計的輸出電流；微調轉換器電路板上的W502 電位器，使輸出電流回到4mA。
在流量計運行后，流量計的滿度輸出值在現場不能進行再調整；如需調整，請將流量計返廠，由廠家根據您的要求在標準流量裝置上完成。
HPLWGY -□B 型智能現場顯示渦輪流量計
儀表內置參數設定：（*工程師操作）
01. 儀表面板按鍵操作說明
進入 （退出）參數設定菜單：工作狀態下同時按?鍵和F 鍵：
光標位向右移位：參數設定狀態下按?鍵
光標位數值加 1：參數設定狀態下按▲鍵
參數菜單切換：參數設定狀態下按F 鍵；
累積流量清零：工作狀態下同時按F 鍵和▲鍵。
02. 內部參數說明
儀表程序共有三個菜單，分三屏顯示，均為儀表測量范圍內三點系數修正，上排為流量點頻率值，下排為該流量點儀表系數。三個菜單可用F 鍵循環切換。
各菜單顯示方式及功能如圖 16
圖 16
注：儀表出廠前儀表參數均惠設置，無特殊情況無總改動；使用三點儀表系數進行流量傳感器的非線性怱正需要用戶清楚的知道傳感器不同流量點 （頻率點）對愓的儀表系數。
HPLWGY -□C 型智能現場顯示帶4-20mA 輸出渦輪流量計
01．儀表面板按鍵操作說明
同電池供電現場顯示型渦輪流量計
02．內部參數說明
儀表程序共有四個菜單，分四屏顯示，前三個菜單為儀表測量范圍內三點系數修正，與電池供電現場顯示型渦輪流量計*相同；第四個菜單為4-20mA輸出滿度值（即20mA對應的流量點）。
四個菜單可用F鍵循環切換。
1 至 3菜單顯示方式及功能與電池供電現場顯示型渦輪流量計相同，第四個菜單顯示方式及功能如圖 17
圖 17
十一、使用注意事項
（1）投入運行的啟閉順序
未裝旁路管的流量傳感器，先以中等開度開啟流量傳感器上游閥，然后緩慢開啟下游閥。以較小流量運行一段時間 （如10 分鐘），然后全開上游閥，再開大下游閥開度，調節到所需正常流量。
裝有旁路管的流量傳感器，先全開旁路管閥，以中等開度開啟上游閥，緩慢開啟下游閥，關小旁路閥開度，使儀表以較小流量運行一段時間。然后全開上游閥，全關旁路閥 （要保證無泄漏），zui后調節下游閥開度到所需的流量。
（2）低溫和高溫流體的啟用
低溫流體管道在通流前要排凈管道中的水分，通流時先以很小流量運行 15 分鐘，再漸漸升高至正常流量。停流時也要緩慢進行，使管道溫度和環境溫度逐漸接近。高溫流體運行與此相類似。
（3）其他注意事項
啟閉閥應盡可能平緩，如采用自動控制啟閉，用 “兩段開啟，兩段關閉”方式，防止流體突然沖擊葉輪甚至發生水錘現象損壞葉輪。
檢查流量傳感器下游壓力。當管道壓力不高，在投入運行初期觀察zui大流量下傳感器下游壓力是否大于公式 5 計算的pmin ，否則應采取措施以防止產生氣穴。
流量傳感器的儀表系數是經過標準裝置校驗后，供給用戶校驗單上寫明的，謹防丟失。傳感器長期使用因軸承磨損等原因，儀表系數會發生變化，應定期進行離線或在線校驗。若流量超出允許范圍，應更換傳感器。
有些測量對象，如輸送成品油管線更換油品或停用時，需定期進行掃線清管工作。掃線清管所用流體的流向、流量、壓力和溫度等均應符合渦輪流量計的規定，否則會引起度降低甚至損壞。
為保證流量計長期正常工作，要加強儀表的運行檢查，一旦發現異常及時采取措施排除。監測葉輪旋轉情況，如聽到異常聲音，用示波器監測檢測線圈輸出波形，如有異常波形，應及時卸下檢查傳感器內部零件。如懷疑有不正常現象應及時檢查。保持過濾器暢通，過濾器可從出入口壓力計的壓差
來判斷是否堵塞。要定期排放消氣器中從液體逸出的氣體等等。
十二、常見故障及處理方法 表 6
