带温度压力补偿的气体涡轮流量计的设计

一、概述

气体的密度远小于液体的密度，因此在结构上与液体涡轮流量计有显著差别，且气体的密度受温度、压力的变化影响较大。因此进行气体体积流量测量时，多采用带温度、压力补偿功能的气体涡轮流量计，以达到准确测量气体介质的目的。这种涡轮流量计在测量体积流量的同时，必须跟踪检测气体介质的温度和压力，并将不同工况条件下的气体体积流量换算成标准状态下（ρ=101.325kPa， T=273.15K）的体积流量。这种温度、压力补偿型的气体涡轮流量计的典型结构如图1.10所示。

温度、压力补偿型气体涡轮流量计可采用电磁感应原理将涡轮转速转换为与流体体积流量成正比的脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输入运算器，与温度、压力信号一起进行运算处理，运算器按照气体状态方程进行运算，其结果可以就地显示或用多种信号形式远传。

气体状态方程可写为

Pa——当地大气压， kPa；

PE——流量计压力检测点的表压力， kPa；

P0——标准大气压（101.325kPa） ；

T0——标准状态下的绝对温度（273.15K）；

T——被测介质绝对温度（273.15十 t ） K；

t ——被测介质温度， 0C；

   —— 气体压缩因子（对于天然气压缩因子，可按中国石油天然气总公司ST/T6143——1996标准计算）；

Zn —— 标准状态下的气体压缩系数；

Zg —— 工作状态下的气体压缩系数。

如采用各类单片机技术和微功耗技术作为运算器，则除了温度、压力补偿外，还可以有报警、自诊断、信号远传等多种功能，做到功能强、运算精确度高、结构紧凑、抗干扰能力强、测量范围宽、重复性好。气体涡轮流量计可广泛应用于单相气体（包括压缩气体）标准体积总量的计量，是石油、化工、电力、冶金以及城市燃气管网等行业气体计量的理想仪表。

二、智能气体涡轮流量计的设计

智能气体涡轮流量计的结构设计是在通用涡轮流量计的基础上增加相应的传感器组件和微处理器构成的，主要由流量积算仪、温度传感器组件、压力传感器组件、涡轮流量传感器四大部分组成。

（一）涡轮流量传感器设计

涡轮流量传感器由表体、整流器、涡轮、轴、轴承及信号检测器组成。

（1）表体   表体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力、固定安装检测部件、连接管道的作用。表体采用不导磁的不锈钢或硬铝合金制造。表体从外壁装入温度、压力等信号检测器。测压孔取位于整流器距离进口1/2~2/3的位置，直径不得大于3mm；测温孔取位于涡轮定位座后2D以内。

（2）整流器   在传感器的进口安装整流器，它对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用。整流器的设计目的是调整气流的速度分布剖面。整流器导流体的外径设计同涡轮轮壳外径。为了使流体的分布均匀，要将整流器设计成轴对称结构。材质要求选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。

（3）涡轮    涡轮亦称叶轮，是传感器的检测元件，它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，也可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率。叶轮由支架中轴承支撑，与表体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计。叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表性能和使用寿命。叶轮是变送器的敏感元件，也是关键元件，所以叶轮的设计将直接影响到变送器的性能好坏。由于仪表常数 k 是叶片安装角β、顶隙 Δr 、叶栅重叠度以及流通截面的函数，所以选择理想的叶轮结构参数是很重要的。

（4）轴与轴承    轴与轴承支撑叶轮旋转，需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等，它决定着传感器的可靠性和使用期限。流量传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。同时，轴承阻力矩的大小影响流量计的计量性能，为了提高计量的精确度，得到好的小流量特性，对轴、轴承的设计原则是使轴承阻力矩尽可能小。

（二） 流量积算仪设计

1.流量积算仪的工作原理

流量积算仪是多功能电子式气体体积校正仪。它接收流量脉冲信号，与高精确度温度、压力传感器配接，可完成采集温度、压力、流量脉冲信号，计算、记录标准工况 （ ρ=101.325kPa， T=273.15K。根据用户要求可取 T =273.15K ） 和实际工况下的瞬时及累积流量，记录压力、温度及状态参数，并对部分状态进行报警。

主要功能如下。

①采集流量计的实测体积信号。

②测量气体温度和压力。

③分别计算、显示、记录工况和标况瞬时流量，实时数据更新。

④根据用气单位、供气单位等不同用户情况，赋予不同的用户权限，允许用户根据实际情况变更数据，这样利于用户用气管理。

⑤信息显示。

⑥报警信号管理。

⑦数据库管理定时记录累计体积、压力、温度等。

⑧具备脉冲、模拟、RS-485多种输出信号方式。

⑨低功耗设计，内电源、外供电两种供电方式结合，正常工作条件下，一般要求5年内无需更换电池。

流量积算仪由温度、压力检测模拟通道，流量检测数字通道，以及微处理单元、液晶驱动电路和其他辅助电路组成，并配有外输出信号接口，其工作原理如图1.11所示。从各传感器送来的多路信号经转换处理后，由微处理器按照气体状态方程代入公式运算，实现就地显示和多种信号远传。 

2、流量积算仪设计步骤

流量积算仪的设计包括数据采集、数据处理和数据转换兰大部分。下面是各部分电路设计的实例。

（1） 温度采集电路设计为了保证采集到的温度信号的脉冲波形不产生失真，以至于影响对温度的监测，可以为温度传感器设计各种桥式滤波电路。该电桥电路首先对采集到的信号进行稳压，随后利用脉冲分压器的补偿电容对信号进行补偿，使输出脉冲电压幅值变得平稳，并确保波形不产生失真。基本电路如图1.12所示。

 （2） 压力采集电路设计    压力采集电路同温度采集电路一样，是为了保证采集到的电信号平稳，并能保持原采集信号的波形，因此该电路的设计思路同温度采集电路的设计思路相同。由于考虑到采集到的压力信号的变化幅度较大，为了确保压力信号能够平稳，其稳压电路可设计为全波桥式整流电路，基本电路如图1.13所示。

（3）流量脉冲采集保护电路设计由于流量脉冲信号易于受到外界电磁场的干扰而影响 对信号的检测结果，因此为了防止外界电磁场的干扰，应该为脉冲输入信号设计保护电路。保护电路的设计可以根据具体选定的流量信号传感器的类别采取相应的设计。

（4）流量脉冲输出电路及脉冲输出报警电路的设计流量输出不仅存在传输干扰，而且 外部控制信号有可能反向产生干扰信号。为了避免干扰影响流量测量结果，且能够在电池电量不足、掉电等情况下，提醒工作人员更换电池，设计报警电路在上述情况下进行报警，并要求控制器自动存储该时刻的标准状态下的瞬时流量、累加流量、温度、压力及工况下的累加流量、掉电时刻的时间，以便人工进行补偿计算。流量脉冲输出电路和报警电路设计采用光电隔离技术进行保护，具体电路设计如图1.14所示。

该电路首先将采集到的流量脉冲信号通过简单的共发射极放大电路进行放大，然后将放大的电信号经过光电耦合器进行转换，并利用复合滤波电路对转换的信号进行整形输出，这样就可获得比较平滑的电信号。

（5）通信接口电路设计采集到的流量信号及处理后的计量数据通过 RS-485 或 RS-232 可以进行远程传输，以便进行远程数据管理和控制。对于总线通信接口，选用 MAX485 或 MAX232 。硬件设计要同时包括有 MAX485 和 MAX232，对于在信息传输时用哪一个接口是通过软件实现的。其具体电路设计如图 1. 15 所示。

（6）数据传输框图系统带有 RS-485 或 RS-232 总线通信方式的数据接口，可以通过网络传输所有的存储数据和信息，可以实现远程收费和管理，且可以在数据传输时自动切换到外供电，不消耗电池电能。数据传输框图如图1.16所示。

 （7）软件设计根据智能气体涡轮流量计的数学模型进行数据计算时，假定涡轮在正常工作条件下运转，涡轮转子以恒定的角速度 ω 运转，则驱动力矩等于各阻力矩之和。如方程（1.1）所示。采用前述的一元流动模型或二元流动模型，根据设计的结构计算驱动力矩和各种阻力矩。计算时，先设定涡轮的两个转速作为初始值，使在这两个转速时，平衡方程的左端分别大于零和小于零。取适当的步长，用两分法自行迭代，计算得最终涡轮转速，使其在一定精确度下计算得出 ω 值，即可得到相应的脉冲数，进而计算出 q0 。主程序框图可参阅图1.22。经过标定的基础表，配接智能头后进行测量时，利用应用程序进行流量计量的补偿和修正，程序流程如图1.17所示。

对智能气体涡轮流量计的标定和检定与普通气体涡轮流量计的标定、检定一样，目的在于实现对流量计仪表换算系数、精确度、重复性、瞬时流量等技术指标的测定和实时程序写入，以及对标定数据的检定。但由于智能气体涡轮流量计的智能化，使得有些数据可以通过软件直接设定，因而其标定的方法和内容与普通涡轮流量计的标定方法有所不同。

（1） 标定、检定装置标定、检定所需标准装置是声速喷嘴法气体流量标准装置，其结构如图1.18所示。对于流量比较大的标准装置，需选用水环式真空泵，因此还需配备冷却塔、离心泵、地下水池、消音器。为了调整入口气体流场和降低噪声，还应在入口处安装喇叭形入口。被检表的前后直管段应足够长。此外，还应配备配电柜、计算机、夹表器、控制系统和数据采集系统。

（2） 产品标定所谓标定是对各流量段检定流量、检定时间、流量计脉冲数、平均仪表系数的写入过程。考虑到标定期间的环境温度和环境压力与标准温度和压力差别不大，所以不需进行温压补偿的标定，而只标定工况下基础表的脉冲。

最后，将标定结果连同积算仪实测温度、压力回写到积算仪，通过软件对标定数据进行温度、压力补偿。

智能气体涡轮流量计的标定、检定过程与普通涡轮流量计的标定、检定过程存在一定的差异，这是由于其具有对实际工况的温度、压力补偿和压缩系数修正功能。事实上，通过其标定过程就可以体现其间的差别。经过测试表明，标定的仪表换算系数通过软件的控制及计算功能能够很好地实现对测量流量的修正和补偿目的，提高计量精确度。