渦輪流量傳感器的結構組成和作用

如前所述，渦輪流量傳（chuán）感（gǎn）器的結構主要由儀表殼體、導流器、葉（yè）輪（渦輪）、軸承和信號檢測放大器等組（zǔ）成。

1)儀（yí）表殼體

儀表殼體一般采用不導磁的不鏽鋼（如1Cr18Ni9Ti）或硬質合金（jīn）製成，對於大口徑（jìng）傳感器亦可用（yòng）碳鋼與不鏽鋼（gāng）組合的鑲嵌結（jié）構。殼體是傳感（gǎn）器的主（zhǔ）體部件，它起（qǐ）到承受被測流體的壓力，固定安裝檢測部（bù）件，連接管道的作用，殼體內裝有（yǒu）導流器、葉輪、軸、軸承，殼（ké）體外壁安裝（zhuāng）有信（xìn）號檢測放大器。

2）導流器

導流器通（tōng）常也選用不導磁不鏽鋼或（huò）硬鋁材料製作，安裝（zhuāng）在傳感器（qì）進出口（kǒu）處，對流體起導向整流以及支承（chéng）葉輪的作（zuò）用，避（bì）免流體擾動對葉輪的影響（xiǎng）。

3）渦（wō）輪

亦稱葉輪，一般由高導磁性材料（liào）製成（chéng）（如（rú）2Cr13或Cr17Ni2等），是傳感器的檢測部件。它（tā）的作用是把流體動能轉換成機械能。葉輪有直板葉片（piàn）、螺旋（xuán）葉片和（hé）丁字形葉片等幾種、亦可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環來增加有一定數量葉片渦輪旋轉的頻率。葉輪由支（zhī）架中軸承支承，與殼（ké）體同軸，其葉片數視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，要根據流體性（xìng）質（zhì）、流量範圍、使用要（yào）求等設計，葉輪（lún）的動（dòng）態平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用（yòng）壽命。

葉（yè）輪（lún）結構參數設計包括葉片傾角、葉片的頂端與外殼內壁的間隙、葉片根徑和頂（dǐng）徑的流通截麵、葉片重疊度以及葉片數量等設計。這（zhè）些參（cān）數直接影響流量計的特性，選擇得合理就（jiù）可以提高儀表的測量範圍和準確度並延長使用年限。根據大量試驗及理論分析（xī），比較合理的結構參數為

葉片傾角θ：10°～15°（對氣體（tǐ））；30°～45°（對液體）（見圖6-10）。

葉（yè）片重疊（dié）度（dù）P：0.9～1.2（P表示軸線長度上兩相鄰葉片相互重疊的程度）。

葉片頂隙δ：當D≤10mm時（shí），δ=0.05～0.07D；當10mm〈D≤80mm時，δ=0.01～0.015D；當D〉80mm時，δ=0.01D。

葉片數N：可以按照對輸出信號的頻率（lǜ）要求以及加工製造（zào）的可能性來考慮。根據流量計口徑大小不同而異，小口徑（D≤100mm）為3～8片。大口徑（D〉100mm）一（yī）般為10片以上。

4）軸與軸承

通常選用（yòng）不鏽鋼（如2Cr13,4Cr13，Cr17Ni2或1Cr18Ni9Ti等）或硬質合金製作，它們組成一對運動副（fù），支承和保證葉輪自由旋轉。它需（xū）有（yǒu）足夠的剛度、強（qiáng）度（dù）和硬度、耐磨性，耐腐性等。它決定著傳感器的可靠（kào）性和使用壽命。傳感器失（shī）效通常是由軸與軸承引起的，因此它（tā）的結構與材料的選用以及維護是重要（yào）問題（tí）。

在設計時應考慮（lǜ）軸向推力的（de）平衡，流體作（zuò）用於葉輪上的力使葉輪轉動，同時也給葉輪一個軸向（xiàng）力，使軸承的摩擦轉矩增大。為了抵消這一軸向力，在結構上采取各種軸向推力平衡措（cuò）施（shī）。另外，軸承磨損要小；這是提高測量精準度、延長儀表壽命的重要環節（jiē）。滾動軸（zhóu）承雖然摩擦（cā）力矩很小，但（dàn）對髒汙流體及腐蝕性流體的適應（yīng）性較差，壽命不長（zhǎng）。因此，目前（qián）仍（réng）廣泛應用滑動軸承（空心套形軸承）。滑動軸（zhóu）承的軸與軸承間（jiān）的（de）摩擦轉（zhuǎn）矩與（yǔ）葉輪的重量及軸的直徑成正比，因此在機械強度允許的情況下，應盡可能把軸（zhóu）做（zuò）細，使葉輪的重量減輕。合理選擇軸與軸承的材質及兩者的配合間隙也（yě）是很重要的（de），目前（qián）常采用的材料是耐磨性好的碳化鎢硬質合金或石墨。為減小石墨軸承的磨損，常常在軸表麵鍍以硬鉻並進行精（jīng）磨。為了（le）徹底解決軸承磨損問題，我國目前生產無軸承的渦輪流量變送（sòng）器。

5）信號檢測放大器

國內常用信號檢測放大器一般采用變磁阻式，它由永久磁鋼、導磁棒（鐵心）、線圈等組成。它的作用是把渦輪的機械轉動信號轉換成電脈衝信號（hào）輸出。由於永久磁鋼對高（gāo）導磁材料製成的葉片有吸引力而產生磁阻力矩，對於小口徑（jìng）傳感器在小流量時，磁（cí）阻力矩在諸（zhū）阻力矩中成為主要項，為此將（jiāng）永久磁鋼分為大小兩種規（guī）格，小口徑配小規格以降低磁阻力矩。一般，線圈感應得（dé）到（dào）的信號較小，需配上前置放大器放大、整形輸出幅值較大的電脈衝信號，當線圈輸（shū）出信號有效值在10mV以上的也可直接配（pèi）用流量計算機。

圖6-2為常用的兩（liǎng）種前置放大器電氣原（yuán）理圖，圖a采用穩流二*管作負載，采用複（fù）合管射*輸出形式；圖b采用負反饋電路以提高儀表的穩定性，它們都具有溫（wēn）度穩（wěn）定性好，放大係數高，負載能力強等特點。

2、典型的渦輪流量傳感器

渦輪流量計根據不（bú）同的傳感器結構（gòu）類型，就（jiù）有不同形式的渦輪（lún）流量傳感器，介紹如下。

（1）止推式（shì）渦輪流量傳感（gǎn）器

這類產品（pǐn）的結構簡圖示於圖（tú）6-3。圖a與（yǔ）圖b為（wéi）軸（zhóu）尖止推類，采用平麵或球麵點接觸，接觸點與傳感器軸線重合，接觸點（diǎn）有較高的硬度和光潔度；圖c為端（duān）麵而接觸止推型，端麵小且硬度和光潔度高。止推型產品結構簡單，工作可靠（kào），適用於小口徑（DN≤15mm）傳感器。

（2）反（fǎn）推式渦輪（lún）流量傳感器（qì）

反推式的結構簡圖如圖6-4所示。圖a中，在（zài）輸入端麵A處壓力降低，產生反推力；圖b係流體經前（qián）麵孔引入產（chǎn）生反推力；圖c表示流體由後反向推。反推式結構在一（yī）定流（liú）量範圍內可使葉輪處於浮（fú）遊狀態，軸向不存在接觸點，無端麵摩（mó）擦和磨損，可延長使用期限。

（3）切向式渦輪流量傳感（gǎn）器

圖6-5所示為用於微流量測量的（de）渦輪流量傳感器，流體從葉輪的切向流過，衝擊（jī）其葉片旋轉。由於被測流量較小，為加大流體對葉輪的衝力（lì），入口處裝有噴嘴，可以更換噴嘴孔徑（jìng）以調節流量範圍。葉輪的轉速采用（yòng）光電法檢（jiǎn）測，以避免如磁（cí）阻法產生磁阻力矩（jǔ）。葉輪軸與管道軸（zhóu）心垂直，流體流向葉片衝角約為90°，適合於小（xiǎo）口徑微流量（liàng）產品。

另一類（lèi）切向渦輪流量傳（chuán）感器做成插入式結構，適用於大管（guǎn）徑（jìng）流量測量（間插入式渦輪流量計）。

（4）無（wú）軸承渦輪流量傳感器

為了徹底（dǐ）解決渦輪流量計軸承磨損問題，可以采用（yòng）流體軸承，或稱無軸承浮動式（shì）結構的渦（wō）輪（lún）流（liú）量計，其結構如圖6-6所示。它用高壓（yā）流體來代替金屬或非金屬軸承，使渦輪（lún）處於（yú）浮動狀態，以減小摩擦。在圖6-6a中，一部（bù）分流體流（liú）經懸臂支承中間的開孔（kǒng），進入支承的內腔，而內腔與外麵（miàn）的通流縫（féng）隙很小（xiǎo），流體（tǐ）動能大部分變成壓力能，使內腔壓力高於外部流動流體的壓力。這樣，造成內外腔之間的壓力差，該壓差（chà）將渦（wō）輪沿軸向均勻托起。使渦輪處於浮遊工作狀態。在圖6-6b中，渦輪流量傳感器內裝有由（yóu）一根軸和對稱地裝在軸兩端的兩個渦輪及兩塊浮遊板（bǎn）組成（chéng）的轉子，在有流體通過流量（liàng）傳感器時，浮遊板在（zài）差壓的作（zuò）用（yòng）下使浮（fú）遊轉動。雖然無軸承解決了（le）軸承磨損（sǔn）問題，但流體的不潔淨會使浮（fú）遊失去作用，故對流體清（qīng）潔度要求較高，影（yǐng）響（xiǎng）了其推廣（guǎng）使用。

（5）廣粘度型渦輪流量傳感（gǎn）器

這種渦輪流量傳感器（qì）采用了粘度補償機構，使渦輪流量傳感器（qì）在高（gāo）粘度下（一（yī）般其運動粘度為15～30mm2/s）仍能保持其線性區域和範圍度。葉輪（lún）一般為平板葉片，軸承（chéng）用（yòng）套（tào）筒軸承，粘度補償可用補償葉輪，也可用補（bǔ）償圓筒，如圖6-7所示的結構為圓筒補償結構的廣粘度型渦輪流量傳（chuán）感器。進入渦輪流量（liàng）計的大部分（fèn）流體經前導向裝置流向渦輪，一（yī）小部分流體經過過濾後流入前導向裝（zhuāng）置內腔，從隨渦輪一起旋轉的補償圓筒外流過，再流經渦輪。當流體粘度增加時，如無粘度（dù）補償裝置，則渦輪轉速（sù）將增高，當有（yǒu）次補償裝置後，流體粘度增（zēng）高，使補償圓（yuán）筒（tǒng）表麵受到的摩擦力矩增加而使渦輪轉速保持不變（即保持渦輪儀表係數K不變），從而達到粘度補償的目的。

圖6-8所示為有（yǒu）粘度補償和無粘度補償時的渦輪儀表係（xì）數K的變化情況，在流量不變時（shí），雷諾數Re=f（1/η），即與流體（tǐ）粘度成（chéng）反比，Re減小表麵流體粘度增大（dà），曲線1和2分別為無粘度補（bǔ）償時和有粘（zhān）度補償時的（de）儀表係數曲線。由圖可見，粘度補償後，其測量（liàng）精度和範圍（wéi）度（dù）都有了明顯地提高。一般，采取以上措施可以使傳感器在高粘度下（15～30mm2/s）仍能保持（chí）其線性區域和範（fàn）圍度，用於重油測量範圍度為7:1，精度可（kě）達（dá）±0.2%。

（6）插入式（shì）渦輪流量傳感器

這種（zhǒng）渦輪流（liú）量傳感器主要用（yòng）於測量大型管道的流量，方法是用小的渦輪流量測量頭插到（dào）管道（dào）的平均流（liú）速（sù）點或*大流速點，測出局部小麵積的流量推算出通過管道的整（zhěng）體流量。其典型的結構如圖6-9所示。它可在不斷流的（de）情況下插入或取出測量頭，進（jìn）行維護或檢修。插入頭可做成軸向渦輪和切向渦（wō）輪兩（liǎng）種。

（7）其他（tā）結構（gòu）的渦輪流量傳感（gǎn）器有氣體渦輪流量傳感器

氣（qì）體（tǐ）渦（wō）輪流量計用來測量天然氣（如天然氣渦輪（lún）流量計）、化工氣體、蒸汽及壓縮空氣等管流流量（liàng）和定（dìng）流量控製。由於氣體（tǐ）密度小，流體推動的力矩小，氣體傳感器與液體在結構參數上（shàng）有顯著差別（bié），要（yào）加大輪殼半徑，縮小流道截麵積，使（shǐ）氣流流速加大且集中經過葉（yè）片邊緣。氣體渦輪流量傳（chuán）感器對（duì）氣（qì）體清潔度要求較高，氣體溫度、壓力和密度的影響較大，使用中應注意這些特點。

（8）自校正渦輪流量傳感器

自校正渦輪（lún）流（liú）量傳感器是（shì）一種能自動校正（zhèng）測量（liàng）精確度的渦輪流量傳感器。這（zhè）種傳感器由主、輔雙渦輪組成，可由二渦輪轉速差自校正流量特性的變化（huà）。傳感器殼（ké）體內裝有兩個獨立旋轉的葉（yè）輪，入口處的為主渦輪，其下遊的稱為輔渦輪，兩渦輪葉片均為螺旋狀，但（dàn）輔渦輪的螺旋角較小，它起到（dào）感受主渦（wō）輪出口流體因流（liú）速分布畸變，運動件磨損結垢等形成阻力矩變化和流體物性（xìng）（密度、粘（zhān）度（dù））變化的影響。它可以保證使用條件與校驗條件不同時把儀表係數校正到校驗時的精度。

（9）雙向渦輪流（liú）量傳感器

雙（shuāng）向渦輪流量傳感器具有測量雙流向液體流量的功能，是實現液壓係統等各種閉環係統流量（liàng）檢測、電（diàn）液比較控製和自動控製的理（lǐ）想傳感器。其工作原理和單向渦輪傳感器基本相同，為了實現雙向測量，它采用了兩導向架及葉輪幾何形狀（zhuàng）完全對稱的結構。

（10）一體型渦輪流量傳（chuán）感器

葉輪轉動（dòng）直（zhí）接或經磁耦合帶動機械計數（shù）機構智（zhì）能顯示模塊，指示積算總量，其傳感器與顯示儀組成一體，方便使用。