气体涡轮流量计工作原理结构型式分析
摘 要: 通过对机械表头和电子表头两种结构型式的气体涡轮流量计的结构、工作原理、实际应用几方面所进行的分析比较, 增加燃气计量用户对气体涡轮流量计产品的了解程度, 便于在选型时做出正确的选择。
气体涡轮流量计是一种用于准确测量管道气体流量的仪表, 广泛应用于石油、化工、电力、工业锅炉等燃气计量领域。从结构型式、读数方式上分两种: 一种是带有LCD 显示屏的电子表头式, 一种是带有低频脉冲输出的计数器字轮指示的机械表头式。
下面从气体涡轮流量计的结构型式方面作对比分析。
1、结构与工作原理：
1.1、机械表头式涡轮流量计的结构与工作原理：
如图 1, 机械表头式的气体涡轮流量计主要由壳体、导流器、机心组件、计数器组件( 表头) 、润滑系统、智能体积修正仪( 可选) 几部分组成。
图 1 机械表头式气体涡轮流量计的结构图
( 1) 壳体 流量计的承压部件, 其强度满足标准规定的要求。
( 2) 导流器 位于壳体进口端, 作用是使气体平稳的通过测量元件。
( 3) 机心组件 是流量计的核心部分, 经标定后的机心具有互换性。
( 4) 计数器组件( 表头) 属于非承压部件, 机械字轮式计数器显示出工作温度、压力条件下的体积流量, 表头上装有防爆低频脉冲发生器, 所发出的低频脉冲信号可用来对流量计进行测试或传输给体积修正仪。
( 5) 润滑系统 流量计在使用过程中, 机心蜗杆轴两端的轴承转速特别高, 为保证其使用寿命, 需通过润滑系统定期向流量计内注油, 而且天然气中还含有一些杂质或冷凝物, 定期注油也会起到清洁轴承的作用。
( 6) 智能体积修正仪 属于流量计的智能可选部分,能把实际工作温度、压力条件下的体积流量转换成标准温度、压力条件下的体积流量。可根据用户需要进行配置。
工作原理: 进入流量计的被测气体经截面收缩的导流器加速后, 作用在轴向安装的叶轮叶片上, 叶轮受流体冲击而旋转, 叶轮的旋转角速度在一定的流量范围内与流体的流量近似成正比, 即叶轮转数与被测气体体积成正比。叶轮的转动通过蜗轮蜗杆及磁耦合机构传送至表头, 经多级齿轮减速后传到多位数的计数器上, 从而显示出工作压力和温度条件下流过流量计的( 以立方米为单位) 被测气体的累积体积量。
1.2、电子表头式涡轮流量式的结构与工作原理：
如图 2, 电子表头式的气体涡轮流量计主要由壳体、整流器、涡轮、信号检测器、温度传感器、压力传感器、LCD 显示屏( 体积修正仪) 、润滑油泵几部分组成。
( 1) 壳 体 、整 流 器 、涡轮、润滑油泵几部分的作用与机械表头流量计的作用相同。
( 2) 信号检测器 用来采集机心处所发出的高频脉冲信号。
图 2 电子表头式气体涡轮流量计的结构图
( 3) 温度、压力传感器 属于智能体积修正仪的一部分。工作原理: 当流体流入流量计时, 在整流器的作用下得到整流并加速, 由于涡轮叶片与流体流向成一定角度,此时涡轮产生转动力矩, 在克服摩擦力矩和流体阻力矩后, 涡轮开始旋转。在一定的流量范围内, 涡轮旋转的角速度与流体体积流量成正比。根据磁感应原理, 利用信号检测器从与涡轮同步转动的参考轮上感应出与流体体积流量成正比的高频脉冲信号, 该信号经放大、滤波整形后和温度传感器、压力传感器检测到的温度、压力信号同时输送给体积修正仪进行运算处理, 直接显示于 LCD 显示屏上。
2、脉冲信号输出：
机械表头式涡轮流量计可以输出三种频率的脉冲信号: 直接从机心叶轮处及与叶轮同步转动的参比轮处采集的同频反相高频脉冲信号 HF3、HF2; 在计数器减速齿轮系之前采集的中频脉冲信号 HF1; 在计数器减速齿轮系之后(表头)采集的低频脉冲信号 LF。这三种脉冲信号都可用于对流量计进行示值误差检测, 但传输给智能体积修正仪的只有低频脉冲信号 LF。一般情况下, 流量计出厂仅配置低频脉冲发生器。电子表头式涡轮流量计只能输出一种直接从机心处采集的高频脉冲信号, 并将此信号用于对流量计进行示值误差检测或传输给体积修正仪。
3、应用分析：
3.1、技术性能：
从专业技术角度来说, 电子表头式涡轮流量计一般由于无法有效降低仪表内部阻力, 不经修正的示值误差曲线多处( 多段) 超差, 只有通过将仪表流量分为几段采用不同的仪表系数进行非线性修正, 才能使它达到合格示值误差曲线的要求。机械表头式涡轮流量计的示值误差曲线完全由仪表的结构设计技术水平、零部件制造水平、装配工艺水平、整机测试水平来决定, 不存在非线性修正的问题。示值误差曲线比较如图 3 所示。
图 3 示值误差曲线比较示意图
涡轮流量计在实际使用过程中, 由于气质、安装条件、使用维护等原因, 有时会造成在线示值误差曲线与标定示值误差曲线偏移的现象。对于机械表头式的流量计, 它的曲线如果发生偏移, 只是上下平移, 但曲线形状不会发生改变。而经过非线性电子修正的流量计, 当示值误差曲线发生变化上下移动时, 被修正的流量段的固定修正值是不会随着曲线的变化而变化的, 这样曲线的形状就发生了改变, 容易造成计量偏差。所以说机械表头式涡轮流量计比电子表头式涡轮流量计相对来说性能要稳定得多。
3.2、安全性能：
电子表头式涡轮流量计的 LCD 显示屏具有体积修正仪的功能, 能把经过温度、压力修正的标准状况下的累积体积量直接显示在 LCD 显示屏上。机械表头式涡轮流量计所选配的智能体积修正仪与机械表头上的字轮式计数器是同步显示实际工作温度、压力条件下的体积流量,并可以在体积修正仪的液晶屏上显示出转换成标准温度、压力条件下的体积流量。
由于电子元器件的性能受温度、湿度等环境因素影响较大, 一旦电子显示部分出现故障, 电子表头式的流量计会造成已计量的累积体积流量全部丢失, 但机械表头式的流量计还有机械计数器部分能显示出工作温度、压力条件下的燃气用量, ***大程度地降低燃气公司的损失。所以相对来说, 电子表头式的涡轮流量计不如机械传动的机械表头式的涡轮流量计安全、可靠。
3.3、市场应用：
电子表头这种结构型式的涡轮流量计在国内生产起步较早, 仪表内部除了机心部分以外主要由电子元器件为主, 传动部件少, 结构较简单, 制件成本较低, 所以售价相对便宜。机械表头式的涡轮流量计, 从机心到表头整机采用机械传动, 传动部件多, 结构较复杂, 传动部件加工精度高, 制造成本相对较高, 销售价格也略高于电子表头式的。
电子表头流量计在大流量燃气计量的国内市场初期应用比较广泛, 为国内大多数生产厂家和燃气用户所采用。另外, 在国内某些重要的贸易计量场合, 从长期运行性能稳定可靠、重复性好、准确度高等要求考虑, 许多燃气公司指定使用国外原装进口涡轮流量计, 这种流量计一般都是机械表头式的。但是从国外进口原装整机, 存在着价格高、手续麻烦、无法保证交货日期、售后服务难等诸多问题。
近年来, 随着国内燃气行业新技术、新材料、新工艺的不断应用, 涡轮流量计的制造技术也在不断完善与成熟, 各国内厂家也开始研制高准确度的机械表头式涡轮流量计。现在, 不用经过非线性补偿就能达到 1.0 级准确度的机械表头式涡轮流量计已推向市场, 它的各项性能指标与从国外进口的机械表头式涡轮流量计产品的水平相近, 但销售价格却比国外进口整机便宜一半以上, 它的供货周期、售后服务及技术支持也更有保障。