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涡轮流量计的原理和模块化设计涡轮流量计的原理和模块化设计-15 -流量是工农业生产过程中重要的测量参数之一， 与温度、压力、物位同为热 工量。流量测量的意义在于既可以指导生产， 同时又是规范工艺操作的需要和进 行经济核算的依据。由于流量这个参数受流体的工作条件影响， 对其检测有相当 的难度，为了满足现代工业中各种不同的场合和各种不同的测量目的，各种流量计量仪表就应运而生。涡轮流量计是计量仪表中不可缺少的一员，随着现代计算机技术的发展而不 断发展和完善。按照模块化设计方法，将系统硬件部分分为不同的功能模块分别 进行设计。并对现状中存在效率低的问题作了分析， 提出模块化设计开发该产品 的思路和方法，并论述 了模块化设计给产品所带来的诸多优势和重大意义。关键词：涡轮转速测量；效率；模块化设计；气体涡轮流量计ABSTRACTThe flow is one of the important measurement parametersin the process of industrial and agricultural production, and the temperature, pressure, level the same as the heat and consuming. The significance of flow measurement is that can guide the production, but it is also the basis of the specification process operation needs and economic accounting. Due to the impact of the working conditions of the flow parameters by fluid, detection of considerable difficulty, in order to meet modern industry in a variety of occasions and a variety of measurement purposes, a variety of flow measurement instrument came into being.Measurementinstrument of turbine flowmeter is one of the indispensable part, with the development of modern computer technology and the continuous development and improvement. According to the modular design method, the system hardware parts can be divided into different functional modules respectively. And the current situation and the problem of low efficiency of existing were analyzed and put forward the thinking and method of the modular design and development of the product, and discussesthe modular design for product brings many advantagesand great significance.Key words: turbine speed measurement; Efficiency; Modular design; Gas turbine flowmeter目录第一章绪论 41.1 课题的来源及研究意义 41.2 国内外发展状况 41.3 流量计的分类及其工作原理 51.4 主要研究目标 81.5 研究内容 8第二章涡轮流量计的原理和结构 92.1 涡轮流量计的基本工作原理 92.2 涡轮流量计的结构9第三章第三章模块化设计113.1 原理与结构 113.2 功能模块划分 113.3 设计分析11第四章模块化意义 12第五章总结12参考文献 13中英译文 14第一章绪论1.1 课题来源及其研究意义计量是工业生产的眼睛。涡轮机是一种速度式流量计，它由涡轮、轴承、前 置放大器、显示仪表组成。涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的 转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲 数即可求出瞬时流量和累积流量。涡轮流量计是流量测量仪表中不可缺少的一员 随着现代计算机技术的发展而不断发展和完善。流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济有着密切的关系。 尤其在当今能源危机，工业生产自动化越来越高，能源使用浪费现象严重的时代 情况下，流量计有了越来越重要的地位，受到人们越来越多的关注。涡轮流量计 作为最通用的流量计，具有高精度、重复性好等特点，并且广泛运用于工农业生 产，交通运输，国防建设，科学研究，对外贸易，以及人民生活的各个角落，随 着计算机技术的飞速发展，基于单片机的高速气体涡轮流量计的研究与开发认 知，更有着广泛的意义和作用。1.2 国内外发展现状随着国内外能源的开发，尤其是天然气的大量应用，促进了气体涡轮流量计 的飞速发展。目前市场上流量计可分为容积式流量计、差压式流量计、浮子流量 计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和 插入式流量计.涡轮流量计，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转 子（涡轮）感受流体平均流速，从而推导出流量或总量的仪表。涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复 性、精度最佳的产品，作为十大类型流量计之一，其产品已发展为多品种、多系列 批量生产的规模。涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体。在欧洲和美国，涡轮流量计在用量上 是仅次于孔板流量计的天然计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了 2600多 台各种尺寸,压力从0.86.5MPa的气体涡轮流量计,它们已成为优良的天然气 计量仪表。目前涡轮流量计有如下特点：高精度，在所有流量计中，属于最精确的 流量计，重复性好，无零点漂移，抗干扰能力好，范围度宽，结构紧凑。不能长 期保持校准特性；流体物性对流量特性有较大影响。1.3 流量计的分类及其工作原理流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的 流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任 何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。这60多种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。按 测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类；按测量目的又可分为总量测量和流量 测量,其仪表分别称作总量表和流量计2。总量表测量一段时间内流过管道的流量，是以短暂时间内流过的总量除以该 时间的商来表示，实际上流量计通常亦备有累积流量装置，做总量表使用，而总量 表亦备有流量发讯装置。因此，以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原 子物理学原理等。按照目前最流行、最广泛的分类法，可分为:容积式流量计、差压式流量计、 浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量 流量计和插入式流量计、探针式流量计，我们就通过这种分类方法，来分别阐述 各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。1.3.1 差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件 和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。优点：(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；(2)应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。缺点：(1)测量精度普遍偏低；(2)范围度窄，一般仅3:14:1 ;(3)现场安装条件要求高；(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。1.3.2 浮子流量计浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计5的一种，在一根由下向上 扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子 可以在锥管内自由地上升和下降。(1)玻璃锥管浮子流量计结构简单，使用方便，缺点是耐压力低，有玻璃管易 碎的较大风险；(2)适用于小管径和低流速；(3)压力损失较低。1.3.3 容积式流量计容积式流量计，又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度最 高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。优点：(1)计量精度高；(2)安装管道条件对计量精度没有影响；(3)可用于高粘度液体的测量；(4)范围度宽；(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量,清晰明了，操作简便。缺点：(1)结果复杂，体积庞大；(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；(3)不适用于高、低温场合；(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体；1.3.4 涡轮流量计涡轮流量计，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子(涡轮)感 受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。优点：(1)高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；(2)重复性好；(3)元零点漂移，抗干扰能力好；(4)范围度宽；缺点：(1)不能长期保持校准特性；(2)流体物性对流量特性有较大影响。1.3.5 电磁流量计电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。优点：(1)测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液周二相流体，如纸浆、泥浆、污水等(2)流量范围大，口径范围宽；(3)不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；(4)所测得体积流量实际上不受流体粘度、密度、压力、温度和电导率变化 的明显影响；(5)可应用腐蚀性流体。缺点：(1)不能测量电导率很低的液体，如石油制品；(2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；(3)不能用于较高温度。1.3.6 涡街流量计涡街流量计是利用流体振荡原理来测量流量或流速。优点：(1)精度较高；(2)适用流体种类多；(3)结构简单牢固；(4)压损小；缺点：(1)不适用于低雷诺数测量；(2)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验；(3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比)；(4)需较长直管段。1.3.7 超声流量计优点：(1)可做非接触式测量；(2)为无流动阻挠测量，无压力损失；(3)可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。缺点：(1)超声波时差法只能用于清洁液体和气体；而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体；(2)多普勒法测量精度不高。应用概况：(1)超声波时差法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、液化天然气、烧:液等；(2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验；(3)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体。1.4 主要研究目标本课题的主要研究目标是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信 息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软 件系统的控制下达到预先的设置和预期的控制要求。硬件设计突出体现了低功耗 设计的思想，软件系统包括体现了本来流量计显示的详细的设计思想和方案、方法。按照模块化设计方法，将系统硬件部分分为不同的功能模块分别进行设计。 使其能够广泛应用于高压、高速及大流量的测量中。1.5 研究内容本文研究的是一种新型涡轮流量计。它的优点在于采用了功能强大地CPU,使得外围芯片减少，整个系统结构简单，系统稳定性高，另外系统的功耗低、速 度快，这些都是本设计的考虑及实现目标。设计出一款基于AT89C51为核心的高精度的单片机气体流量测量系统，包 括硬件电路设计、软件设计和实验平台搭建等。研制方法采用模块化结构设计， 各模块均自成一体，可以方便的移植到其它系统。根据设计要求硬件部分主要分 四个模块，即流量传感变送模块，主控 CPU智能模块，LED数码管显示模块。第二章涡轮流量计的原理与结构2.1 .涡轮流量计的工作原理涡轮流量计的原理示意图如图3T所示.在管道中心安放一个 涡轮，两端由轴承支撑.当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮 产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转.在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体 流速成正比.由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可 以计算得到通过管道的流体流量.母“2谒跄/录计威障薇理瓶画涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测. 当涡轮叶片切割由壳 体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化. 传 感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算 电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电 路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值.2.2 涡轮流量计的构造流体从机壳的进口流入.通过支架将一对袖承固定在管中心轴线 上，涡轮安装在轴承上.在涡轮上下游的支架上装有呈辐射形的整流 板，以对流体起导向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用 角度.在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁通变化信号.涡轮由导磁不锈钢材料制成，装有螺旋状叶片.叶片数量根据直径 变化而不同，2 24片不等.为了使涡轮对流速有很好的响应，要小. 对涡轮叶片结构参数的一般要求为：叶片倾角10 15气体），30 45 （液体）；叶片重叠度 P为1T. 2;叶片与内壳间的间隙为 0.5Tmm涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，要求耐磨性能好. 由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使铀承的摩擦转矩 增大，加速铀承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措 施，这方法的原理见图3V所示.由于涡轮处直径DH略小于前后支 架处直径Ds,所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静 压上升 P,这个 P的静压将起到抵消部分轴向推力的作用. 示.第三章模块化设计3.1 原理与结构可以对产品各结构按功能进行分析，并独立分解出相应模块，举例机械式涡轮表，示意结构图如图3。气体流进涡轮表入 口， 经整流器整流加速后，带动计量机芯中具有螺旋叶片的涡轮旋转，安装涡轮同速运转的主轴经蜗轮蜗杆和齿轮多级传动进行减速，并通过磁耦合隔离，同步将转动输出承压壳体，再经进一步多级齿轮 调节传动，最后将与气体流速近似成正比的涡轮转速传输到机械计 数器上，显示工况流量累积值。同时，仪表可配备高、低频信 号输出，作为日常检定、体积转换或远距离监控连接使用，以及针对内部轴承润滑功能的加油泵。3.2 功能模块划分根据涡轮表的结构原理，设计上可从整体出发，划分功能模 块，级别由大到小分别为跨系列级模块 、系列级模块、口径级模 块和规格专用模块。跨 系列级模块：是指能在电子式 系列和机械 式系列之间通用；系列级模块：是指在本系列 （如机械式）中通用； 口径级模块：是指具体 VI径（比如D N 100）中通用；规格专用模 块：是指具体的某一规格产品的专用 ，比如是机械式D N 1 00 G250 规格用。可将 图3中的功能模块按级别归类为：（1）规格专用模块； （2） 口径级模块；（3）系列级模块；（4 ）跨 系列级模块。3.3 设计分析从设计原则上，应当结合涡轮表整体的研发产品要做到：第一、争取尽量多的大级别的模块，像图4中越往下层，模块级 别越大，相应的零部件加工装配批量也就会越大， 生产效率 自然会 越高。第二、小级别的功能模块，应争取尽量少的专用零件和加工 要求，如计量表芯中涡轮一般只能专用，但其中的主轴、支座等零件是可以设计在 VI径中通用，以提高其利用率。另外，关于传动比调节功能的模块化，其意义非同寻常，它能很好地解决涡 轮表送检中出现偏差而检验 员难于操作调整的 问题，这一点，目 前市场上只有苍南仪表的TM型涡轮表有这样做。第四章模块化意义模块化设计对于涡轮表厂家带来的综合利益主要就是效率。具体的体现主要在以下几个方面。第一、在涡轮表系列产品的研发上，模块的相对独立性和设 计重用，这有利于研发团队成 员的分工合作，大大缩短设计研发 的周期，以尽量少的设计，通过模块的不同组合来满足用户的多样 性需求。并且对模块本身的研究可更加专业与深入，可以不断通过升级模块性能来提高产品的整体性能和可靠性。第二、在多样规格、小批量的销售状况下，模块化设计很大程 度地提升了企业的涡轮表产品生产加工、物资采购的批量化 ，提高 了产品装配检验和生产管理便利性 ，降低制造的经营成本。第三、涡轮表的结构模块化 ，对产品今后在市场上售后维修带 来的极大效率。模块接口安装的普遍相对简便和容易操作，方便 了 用户的 自我检修或更换工作，大大减少了产品的使用成本。第五章总结涡轮流量传感器作为现在工业生活中测量检测的重要工具，有着广阔的前景和意义，是关系到未来经济建设的重要技术。 本次课题以 对流量计的结构，特点，功能入手，对涡轮流量计的工作原理，信号 采集，传输协议进行了广泛的研究。模块化设计这一设计概念和设计方法已在各个领域得到广泛应用，它不仅能帮助企业解决品种、规格的多样化与生产的专业化之间 的矛盾，同时也为企业具备的先进制造技术、提高设备的利用率创 造出良好的条件，实现以不同批量提供顾客满意度的产品，进而使企业实现产 品多样化和效益统一。通过研究对当今流量计的发展，种类进行了深入研究，对当前各 种主流流量计的工作原理，优缺点进行了阐述总结分类。系统的对流量计总体发展，演变，分类，以及工作原理有了深入认识。参考文献1蔡武昌，应启戛.新型流量测量仪表.北京：化学工业出版社，2007.2纪纲.流量测量仪表应用技巧M.北京：化学工业出版社，2009,28(8).3杨有涛，王子钢M.北京：中国计量出版社，2004 ,2.4曹王剑.多普勒超声波流量计应用浅析J.1977,32(2):34- 39.5张波，杨国华.基于公用GSM网的数据传输系统的设计与应用J.无锡商业职业技术学院学报.2005,5 (3) :57-95.6王强.HART智能仪表系统在采油平台上的应用J.中国造船.2005,46(B11):45-67.7侯长来.水表数据传感器的设计J.计量与测量技术.2004,31(11):13-26.8刘景宝，苏明.用于非接触量和数据传输的传感器J.国外内燃机车.2008,3(3):24-29.9张翼飞，孙以材，潘国峰.基于压力传感器的风速风压测量系统与无线数据传输J.传感器世界.2009,3(1):11-21.10谢川，张纯伟，刘志峰.基于AT89C2051单片机的智能涡轮流量计的设计J.仪表技术与传感器,2007,5(10):13-27.11汽车制动性能监测系统的无线数据传输协议，华南理工大学学报.2007.09.12徐晓光，潘伟，徐康.基于单片机的涡轮流量检测仪设计.工业控制计算机.2008.21(8)13Nonis R,Da Dalt N,Palestri P,et al.Modeling,design andcharacterization of a new low-jitter analog dual tuning LC-VCOPLL architectureJ. IEEE Journal of Solid State Circuits. 2005.14Lim Kyoohyun,Park Chanhong,Kim Dalsoo,et al.A low-noise phase-locked loop design by loop bandwidth optimization. IEEE Journal of SolidState Circuits. 2000.中英译文：3.1 Principles and StructureEach product structure can be analyzed by function and decomposition of the corresponding independent module, for example mechanical turbine meter, the schematic structure shown in Figure 3. Gas flowing intotheturbineinlet table, after rectifiedby the rectifieraccelerated, driven turbine having a spiral blade metering movement in rotation, theinstallationoperation ofthe turbine atthe same speedthrough the worm gear spindle and the multi-stage transmission gear is decelerated,andisolatedby magneticcoupling, synchronous Turn theoutput pressure shell, and then by a further multi-stagedrive gearadjustment,andfinallywith the gas flow rateis approximatelyproportional to the turbine speed transmission to the mechanical counter, display conditions flow accumulation value. At the same time, the instrument can be equipped with high and low frequency signal output, as a routine test, the volume conversion or remote monitoring connection, and bearing lubrication pumps for internal functions.3.2 function modulesAccording to the principle structure of the turbine meter, the designcan proceed from the overall descending level for cross-level class modules and specifications level modules: are those that mechanicalseries; Series levelmechanical)in common; caliberdivision of functional modules, eachmodule series, series-level modules, caliber-specific modules. Cross Series GM series between electronic and modules: refers in this series (eg level modules: refers specifically VIdiameter (eg DN 100 ) are common; Specifications specific modules: is dedicated to a specific product specifications, such as a mechanical DN 1 00 G250 specifications available. Figure 3 can be functional modules by level classified as: (1) specific module specification; (2) the caliber level module; (3) Series level modules; (4) across the series level modules.3.3 Design AnalysisFrom the design principle, should be combined with the overall product development turbine table to do: First, for as many large level modules, like the figure more down layer 4, the greater the module level, the corresponding batch processing and assembly components will will be the greater productivity will naturally be higher. Second, the small level of functional modules, should seek to minimize the special parts and processing requirements, such as a turbine meter core generally only special, but one of the main shaft, bearings and other parts that can be designed in the common path VI to improve their utilization. In addition, with regard to the regulatory function of the modular ratio, its extraordinary significance,it is a good solution to the deviation in theturbine meter inspectionand the inspector is difficult to adjust theproblem, which is currently on the market only Cangnan TM instrument turbo tables have to do so.