一、概述

人們對自然界的認識很大程度上取決于檢測和儀表。流量的檢測計量一直是工業(yè)生產(chǎn)中過程控制的重要組成部分之一，它與國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究有密切的關(guān)系。特別是在能源高度緊張、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度愈來愈高的當今世界，世界各國都在加緊開發(fā)新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤、石油等一次能源。

“西氣東輸”工程的開展和天然氣資源的不斷開發(fā)，是我國能源政策的重大變革，與此同時，天然氣工業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，伴隨著天然氣在各國一次能源中的比重不斷上升，天然氣的計量引起了人們的特別關(guān)注，在天然氣的采集、處理、儲存、運輸和分配過程中，需要數(shù)以百萬計的流量計，其中有些流量計涉及到的結(jié)算金額數(shù)字巨大，對測量準確度和可靠性要求特別高。燃氣計量將成為“西氣東輸”工程的一個重要環(huán)節(jié)，如何選擇一套既能做到燃氣計量的科學(xué)性、準確性和公正性，又能在經(jīng)濟適用的情況下盡量減少貿(mào)易結(jié)算的誤差的計量設(shè)備，將是各級燃氣用戶最關(guān)心的問題。

二、幾種氣體流量計的比較

長期以來，我國的燃氣計量主要依靠孔板流量計，隨著城市現(xiàn)代化生活的推進，孔板越來越突出許多不易解決的問題:比如孔板流量計的計量范圍都很窄(1:3~1:5)，不適合現(xiàn)代城市燃氣的高峰低谷用氣量的變化;孔板的安裝尺寸大(對前后直管段的要求比較高)，不適合集成化程度高的撬裝式城市調(diào)壓計量站的使用;孔板流量計的壓損大(壓差式流量計，依靠節(jié)流孔板的前后壓差計量)，不適合城市低壓管網(wǎng)的燃氣計量;孔板流量計的孔板不可避免地會出現(xiàn)磨損而引起計量偏差，需要經(jīng)常性校驗和調(diào)整等。諸多缺點使得孔板流量計在城市燃氣輸配中受到很大限制。

目前我國城市燃氣輸配管網(wǎng)中使用的流量計，除了家用燃氣表普遍采用皮膜表外，在城市燃氣的干線和支線上較為常見的流量計有孔板流量計、渦輪流量計、渦街流量計、羅茨流量計和旋進旋渦流量計以及超聲波流量計。每種流量計多具有自身的優(yōu)缺點，如果單從流量精度看，在實驗室的條件下都可以做到很高的精度，但從現(xiàn)場實際使用情況看，各種流量計在不同的流體工作狀態(tài)下計量精度有很大的差別，因此我們只能選擇適合大多數(shù)流體工況，并且能保證貿(mào)易計量精度的流量計。

三、渦輪流量計

在流量計中渦輪流量計、容積式流量計和科氏質(zhì)量流量計是三類重復(fù)性、精確度最佳的產(chǎn)品，而渦輪流量計有具有自己的特點，如結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大和科適應(yīng)高參數(shù)(高溫、高壓和低溫)等是容積式流量計和科氏流量計難以達到的。

1、渦輪流量計原理和結(jié)構(gòu)

渦輪流量計的工作原理:
   渦輪流量計的原理方框圖如圖1所示。在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐。當流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi)，對一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計算得到通過管道的流體流量。

圖1 渦輪流量計結(jié)構(gòu)圖

圖2 渦輪流量計原理方框圖

渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機殼外的傳感線圈來檢測。當渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時，就會引起傳感線圈中的磁通變化。傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值;同時亦將脈沖信號送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進而指示瞬時流量值。

渦輪流量計原理方框圖見圖2。
   流體從機殼的進口流入。通過支架將一對袖承固定在管中心軸線上，渦輪安裝在軸承上。在渦輪上下游的支架上裝有呈輻射形的整流板，以對流體起導(dǎo)向作用，以避免流體自旋而改變對渦輪葉片的作用角度。在渦輪上方機殼外部裝有傳感線圈，接收磁通變化信號。其主要部件有:
(1)渦輪
   渦輪由導(dǎo)磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋狀葉片。葉片數(shù)量根據(jù)直徑變化而不同，2-24片不等。為了使渦輪對流速有很好的響應(yīng)，要求質(zhì)量盡可能小。
   對渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般要求為:葉片傾角10°~15°;葉片重疊度P為1~1.2;葉片與內(nèi)殼間的間隙為0.5~1mm。
(2)軸承
   渦輪的軸承一般采用滑動配合的硬質(zhì)合金軸承，要求耐磨性能好。由于流體通過渦輪時會對渦輪產(chǎn)生一個軸向推力，使鈾承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，加速鈾承磨損，為了消除軸向力，需在結(jié)構(gòu)上采取水力平衡措施，其原理見圖3所示。由于渦輪處直徑DH略小于前后支架處直徑Ds，所以，在渦輪段流通截而擴大，流速降低，使流體靜壓上升ΔP，這個ΔP的靜壓將起到抵消部分軸向推力的作用。

圖3 水力平衡原理示意圖

(3)前置放大器
   前置放大器由磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與放大整形電路兩部分組成，示意圖見圖4所示。
磁電轉(zhuǎn)換器國內(nèi)一般采用磁阻式，它由永久磁鋼及外部纏繞的感應(yīng)線圈組成。當流體通過使諷輪旋轉(zhuǎn)的，葉片在永久磁鋼正下方時磁阻最小，兩葉片空隙在磁鋼下方時磁阻最大，渦輪旅轉(zhuǎn)，不斷地改變磁路的磁通量，使線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢，送入放大整形電路，變成脈沖信號。
   輸出脈沖的頻率與通過流量計的流量成正比，其比例系數(shù)K為
                               K=f/qv
式中: f--渦輪流量計輸出脈沖頻率;
    qv--通過流量計的流量。
    該比例系數(shù)亦稱為渦輪流量計的儀表系數(shù)。

圖4 渦輪流量計前置放大器原理圖

(4)信號接收與顯示

   信號接收與顯示器內(nèi)系數(shù)校正器、加法器和頻電轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將從前置放大器送來的脈沖信號變換成累積流量和瞬時流量并顯。

2、進口渦輪流量計(以愛拓利渦輪流量計為例)

就原理而言，進口和國產(chǎn)渦輪流量計的原理相同，都是一種速度式流量計，當氣體流入流量計時，首先通過流量計入口的整流器，在整流器收縮段加速，并調(diào)整流速的分布，克服氣體擾動的影響，然后進入管網(wǎng)，由于渦輪葉片設(shè)計成角度的重疊，使氣體在低速時能夠最大限度的吸收氣體能量。由于氣體的沖力，渦輪克服摩擦力矩和阻力力矩開始轉(zhuǎn)動，當力矩達到平衡，速度穩(wěn)定，渦輪的角頻率與流入流量計的氣體平均流速成正比。

愛拓利渦輪流量計主要由表體、表體前端的導(dǎo)流翼(整流器)、渦輪(葉輪)、齒輪傳送裝置和計數(shù)器五個部分組成，另外根據(jù)實際需要表體上可以選配溫度套管、壓力接口、高頻發(fā)生器、參考高頻發(fā)生器、潤滑油泵等。愛拓利渦輪流量計為機械傳動計量，無需任何耗電即可在表頭計數(shù)器內(nèi)進行工況流量的總計量。其溫壓補償及壓縮系數(shù)補償在電子體積校正儀內(nèi)完成。所以既保證計量的穩(wěn)定性又能做到選配的靈活性。愛拓利渦輪流量計的設(shè)計制造符合歐共體標準、OIML IR-32/88建議標準及ISO/DIN9951標準，結(jié)構(gòu)形式符合國際規(guī)范。

圖5 愛拓利渦輪流量計

對于進口渦輪流量計的原理和結(jié)構(gòu)在這里不再贅述，下面重點談?wù)剱弁乩麥u輪流量計的主要特點:

l        高精確度:對于氣體介質(zhì)，渦輪流量計精度一般為±1%R~±1.5%R,特殊專用型為±0.5%R~±1.0%R。在所用流量計中屬于最精確之一。

l        重復(fù)性好:短期重復(fù)性可以達到0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重復(fù)性，是在燃氣貿(mào)易結(jié)算中最優(yōu)先選擇的流量計。如果經(jīng)常校準或在線校準，可得到極高的精確度。

l        低頻脈沖信號:低頻脈沖信號適于總量計量及與流量計算機或校正儀連接，無零點漂移，抗干擾能力強，同時具有高頻輸出，可用于流量計的運行狀態(tài)在線監(jiān)測。

l        范圍度寬:1:20或1:30的量程比，高壓可以擴展到1:50。

l        自潤滑軸承:愛拓利渦輪流量計采用永久自潤滑軸承，可以實現(xiàn)8年免維護(對氣質(zhì)清潔、干燥的天然氣而言)。

l        直管段要求低:愛拓利渦輪流量計結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，只要求入口有兩倍的直管段，出口無要求。

渦輪流量計使用受限的主要原因有:1、軸承磨損;2、粘附性的雜質(zhì)對渦輪和軸承的影響。愛拓利渦輪流量計針對這些原因，經(jīng)過對流量計的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的改進，采用永久自潤滑軸承，使用壽命一般都很長。

四、氣體體積校正儀

 天然氣的計量關(guān)系到每個用氣的公司、個人的切身經(jīng)濟利益。由于天然氣是一種可壓縮性流體，作為一次檢測儀表的流量計本身僅僅能夠檢測工況下的氣體體積量，無法給出統(tǒng)一狀態(tài)下的氣體體積量，給天然氣的貿(mào)易計量帶來很大的不便。為了更準確的計量，必須有一種可以在線檢測氣體的溫度、壓力和流量信號，并進行壓縮因子自動修正和流量自動跟蹤補償。將工況體積量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)體積量的儀器，在這種背景下就產(chǎn)生了體積校正儀。
   1、體積校正儀的主要功能:
   體積校正儀主要用來在線檢測氣體的溫度、壓力、流量等信號，并進行壓縮因子自動修正和流量自動跟蹤補償，將工況體積量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)體積量的儀表。具體轉(zhuǎn)換原理為:(1)、在線檢測溫度、壓力信號;

(2)、檢測氣體成分，然后通過溫度、壓力信號、氣體成分計算出壓縮因子;

(3)、接受流量計發(fā)出的流量脈沖信號，并根據(jù)流量計的出廠校準曲線對流量計的脈沖信號進行自動修正;

(4)、最后通過氣體狀態(tài)方程計算出標準狀態(tài)下的流量值，并直接顯示計算結(jié)果進而達到商業(yè)計量的需要。此外，作為一種現(xiàn)場檢測儀表，隨著自動化水平和現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷提高，要求體積校正儀具有存儲、顯示、通訊等功能。
    但是由于體積校正儀作為天然氣流量計量的二次儀表，其精度在很大程度上受流量檢測元件(一般為渦輪流量計)的限制。由于生產(chǎn)單位的制造水平的影響(如溫度、壓力信號檢測和傳輸?shù)臏蚀_率、頻率，氣體成分的檢測、設(shè)置，軟件設(shè)計水平等等)，目前國內(nèi)外市場上很少有校正儀能夠完整的實現(xiàn)上述功能。
2、體積校正儀的結(jié)構(gòu);
(1)硬件
   主要硬件結(jié)構(gòu)
   目前市場由于各家公司所采用的單片機各不相同，功能較為齊全的產(chǎn)品一般采用RENESAS的H8s/2238芯片或MITSUBISHI的M16C/62芯片。這兩種同為16位單片機，內(nèi)部自帶存儲器、看門狗電路以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能,整機的數(shù)據(jù)存儲運算功能都十分強大。

(2) 傳感器的選取

作為體積校正儀的重要組成部分，也是體積校正儀的成本中所占份額最多的組件，溫度、壓力傳感器的選用很大程度上決定了體積校正儀的精度等級，同時也決定了整個產(chǎn)品的穩(wěn)定性。目前市場上的主流一般采用如下精度的傳感器:
   溫度傳感器精度:0.1%
   壓力傳感器精度:0.1%
(3) 存儲器
  目前市場上絕大多數(shù)的體積校正儀都具有存儲功能，但是考慮到整機功耗、PCB布局、成本、軟件設(shè)計等一系列原因，各個公司所采用的存儲芯片都不盡相同，其存儲空間也都有所差別，目前沒有統(tǒng)一的標準。
(4) 電源
  在不進行遠程通信的情況下，絕大多數(shù)體積校正儀采用3.6V鋰電池供電。當進行遠程通訊或遠程連接時，一般配有專用的電源轉(zhuǎn)換模塊，采用外接電源供電。