渦輪流量傳感器的結構組成和作用

如前所述，渦輪流量傳感器的結構主要由儀表殼體、導流器、葉輪（渦輪）、軸承和信號檢測放大器等組成。

1)儀表殼體

儀表殼體一般采用不導磁的不銹鋼（如1Cr18Ni9Ti）或硬質(zhì)合金制成，對于大口徑傳感器亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結構。殼體是傳感器的主體部件，它起到承受被測流體的壓力，固定安裝檢測部件，連接管道的作用，殼體內裝有導流器、葉輪、軸、軸承，殼體外壁安裝有信號檢測放大器。

2）導流器

導流器通常也選用不導磁不銹鋼或硬鋁材料制作，安裝在傳感器進(jìn)出口處，對流體起導向整流以及支承葉輪的作用，避免流體擾動(dòng)對葉輪的影響。

3）渦輪

亦稱(chēng)葉輪，一般由高導磁性材料制成（如2Cr13或Cr17Ni2等），是傳感器的檢測部件。它的作用是把流體動(dòng)能轉換成機械能。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種、亦可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環(huán)來(lái)增加有一定數量葉片渦輪旋轉的頻率。葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，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，要根據流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設計，葉輪的動(dòng)態(tài)平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命。

葉輪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、葉片根徑和頂徑的流通截面、葉片重疊度以及葉片數量等設計。這些參數直接影響流量計的特性，選擇得合理就可以提高儀表的測量范圍和準確度并延長(cháng)使用年限。根據大量試驗及理論分析，比較合理的結構參數為

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

葉片重疊度P：0.9～1.2（P表示軸線(xiàn)長(cháng)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(shí)，δ=0.01～0.015D；當D〉80mm時(shí)，δ=0.01D。

葉片數N：可以按照對輸出信號的頻率要求以及加工制造的可能性來(lái)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）一般為10片以上。

4）軸與軸承

通常選用不銹鋼（如2Cr13,4Cr13，Cr17Ni2或1Cr18Ni9Ti等）或硬質(zhì)合金制作，它們組成一對運動(dòng)副，支承和保證葉輪自由旋轉。它需有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性，耐腐性等。它決定著(zhù)傳感器的可靠性和使用壽命。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結構與材料的選用以及維護是重要問(wèn)題。

在設計時(shí)應考慮軸向推力的平衡，流體作用于葉輪上的力使葉輪轉動(dòng)，同時(shí)也給葉輪一個(gè)軸向力，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施。另外，軸承磨損要??；這是提高測量精準度、延長(cháng)儀表壽命的重要環(huán)節。滾動(dòng)軸承雖然摩擦力矩很小，但對臟污流體及腐蝕性流體的適應性較差，壽命不長(cháng)。因此，目前仍廣泛應用滑動(dòng)軸承（空心套形軸承）?；瑒?dòng)軸承的軸與軸承間的摩擦轉矩與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，應盡可能把軸做細，使葉輪的重量減輕。合理選擇軸與軸承的材質(zhì)及兩者的配合間隙也是很重要的，目前常采用的材料是耐磨性好的碳化鎢硬質(zhì)合金或石墨。為減小石墨軸承的磨損，常常在軸表面鍍以硬鉻并進(jìn)行精磨。為了徹底解決軸承磨損問(wèn)題，我國目前生產(chǎn)無(wú)軸承的渦輪流量變送器。

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(xiàn)圈等組成。它的作用是把渦輪的機械轉動(dòng)信號轉換成電脈沖信號輸出。由于永久磁鋼對高導磁材料制成的葉片有吸引力而產(chǎn)生磁阻力矩，對于小口徑傳感器在小流量時(shí)，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項，為此將永久磁鋼分為大小兩種規格，小口徑配小規格以降低磁阻力矩。一般，線(xiàn)圈感應得到的信號較小，需配上前置放大器放大、整形輸出幅值較大的電脈沖信號，當線(xiàn)圈輸出信號有效值在10mV以上的也可直接配用流量計算機。

圖6-2為常用的兩種前置放大器電氣原理圖，圖a采用穩流二極管作負載，采用復合管射極輸出形式；圖b采用負反饋電路以提高儀表的穩定性，它們都具有溫度穩定性好，放大系數高，負載能力強等特點(diǎn)。

2、典型的渦輪流量傳感器

渦輪流量計根據不同的傳感器結構類(lèi)型，就有不同形式的渦輪流量傳感器，介紹如下。

（1）止推式渦輪流量傳感器

這類(lèi)產(chǎn)品的結構簡(jiǎn)圖示于圖6-3。圖a與圖b為軸尖止推類(lèi)，采用平面或球面點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)與傳感器軸線(xiàn)重合，接觸點(diǎn)有較高的硬度和光潔度；圖c為端面而接觸止推型，端面小且硬度和光潔度高。止推型產(chǎn)品結構簡(jiǎn)單，工作可靠，適用于小口徑（DN≤15mm）傳感器。

（2）反推式渦輪流量傳感器

反推式的結構簡(jiǎn)圖如圖6-4所示。圖a中，在輸入端面A處壓力降低，產(chǎn)生反推力；圖b系流體經(jīng)前面孔引入產(chǎn)生反推力；圖c表示流體由后反向推。反推式結構在一定流量范圍內可使葉輪處于浮游狀態(tài)，軸向不存在接觸點(diǎn)，無(wú)端面摩擦和磨損，可延長(cháng)使用期限。

（3）切向式渦輪流量傳感器

圖6-5所示為用于微流量測量的渦輪流量傳感器，流體從葉輪的切向流過(guò)，沖擊其葉片旋轉。由于被測流量較小，為加大流體對葉輪的沖力，入口處裝有噴嘴，可以更換噴嘴孔徑以調節流量范圍。葉輪的轉速采用光電法檢測，以避免如磁阻法產(chǎn)生磁阻力矩。葉輪軸與管道軸心垂直，流體流向葉片沖角約為90°，適合于小口徑微流量產(chǎn)品。

另一類(lèi)切向渦輪流量傳感器做成插入式結構，適用于大管徑流量測量（間插入式渦輪流量計）。

（4）無(wú)軸承渦輪流量傳感器

為了徹底解決渦輪流量計軸承磨損問(wèn)題，可以采用流體軸承，或稱(chēng)無(wú)軸承浮動(dòng)式結構的渦輪流量計，其結構如圖6-6所示。它用高壓流體來(lái)代替金屬或非金屬軸承，使渦輪處于浮動(dòng)狀態(tài)，以減小摩擦。在圖6-6a中，一部分流體流經(jīng)懸臂支承中間的開(kāi)孔，進(jìn)入支承的內腔，而內腔與外面的通流縫隙很小，流體動(dòng)能大部分變成壓力能，使內腔壓力高于外部流動(dòng)流體的壓力。這樣，造成內外腔之間的壓力差，該壓差將渦輪沿軸向均勻托起。使渦輪處于浮游工作狀態(tài)。在圖6-6b中，渦輪流量傳感器內裝有由一根軸和對稱(chēng)地裝在軸兩端的兩個(gè)渦輪及兩塊浮游板組成的轉子，在有流體通過(guò)流量傳感器時(shí)，浮游板在差壓的作用下使浮游轉動(dòng)。雖然無(wú)軸承解決了軸承磨損問(wèn)題，但流體的不潔凈會(huì )使浮游失去作用，故對流體清潔度要求較高，影響了其推廣使用。

（5）廣粘度型渦輪流量傳感器

這種渦輪流量傳感器采用了粘度補償機構，使渦輪流量傳感器在高粘度下（一般其運動(dòng)粘度為15～30mm2/s）仍能保持其線(xiàn)性區域和范圍度。葉輪一般為平板葉片，軸承用套筒軸承，粘度補償可用補償葉輪，也可用補償圓筒，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感器。進(jìn)入渦輪流量計的大部分流體經(jīng)前導向裝置流向渦輪，一小部分流體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后流入前導向裝置內腔，從隨渦輪一起旋轉的補償圓筒外流過(guò)，再流經(jīng)渦輪。當流體粘度增加時(shí)，如無(wú)粘度補償裝置，則渦輪轉速將增高，當有次補償裝置后，流體粘度增高，使補償圓筒表面受到的摩擦力矩增加而使渦輪轉速保持不變（即保持渦輪儀表系數K不變），從而達到粘度補償的目的。

圖6-8所示為有粘度補償和無(wú)粘度補償時(shí)的渦輪儀表系數K的變化情況，在流量不變時(shí)，雷諾數Re=f（1/η），即與流體粘度成反比，Re減小表面流體粘度增大，曲線(xiàn)1和2分別為無(wú)粘度補償時(shí)和有粘度補償時(shí)的儀表系數曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，粘度補償后，其測量精度和范圍度都有了明顯地提高。一般，采取以上措施可以使傳感器在高粘度下（15～30mm2/s）仍能保持其線(xiàn)性區域和范圍度，用于重油測量范圍度為7:1，精度可達±0.2%。

（6）插入式渦輪流量傳感器

這種渦輪流量傳感器主要用于測量大型管道的流量，方法是用小的渦輪流量測量頭插到管道的平均流速點(diǎn)或最大流速點(diǎn)，測出局部小面積的流量推算出通過(guò)管道的整體流量。其典型的結構如圖6-9所示。它可在不斷流的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輪兩種。

（7）其他結構的渦輪流量傳感器有氣體渦輪流量傳感器

氣體渦輪流量計用來(lái)測量天然氣（如天然氣渦輪流量計）、化工氣體、蒸汽及壓縮空氣等管流流量和定流量控制。由于氣體密度小，流體推動(dòng)的力矩小，氣體傳感器與液體在結構參數上有顯著(zhù)差別，要加大輪殼半徑，縮小流道截面積，使氣流流速加大且集中經(jīng)過(guò)葉片邊緣。氣體渦輪流量傳感器對氣體清潔度要求較高，氣體溫度、壓力和密度的影響較大，使用中應注意這些特點(diǎn)。

（8）自校正渦輪流量傳感器

自校正渦輪流量傳感器是一種能自動(dòng)校正測量精確度的渦輪流量傳感器。這種傳感器由主、輔雙渦輪組成，可由二渦輪轉速差自校正流量特性的變化。傳感器殼體內裝有兩個(gè)獨立旋轉的葉輪，入口處的為主渦輪，其下游的稱(chēng)為輔渦輪，兩渦輪葉片均為螺旋狀，但輔渦輪的螺旋角較小，它起到感受主渦輪出口流體因流速分布畸變，運動(dòng)件磨損結垢等形成阻力矩變化和流體物性（密度、粘度）變化的影響。它可以保證使用條件與校驗條件不同時(shí)把儀表系數校正到校驗時(shí)的精度。

（9）雙向渦輪流量傳感器

雙向渦輪流量傳感器具有測量雙流向液體流量的功能，是實(shí)現液壓系統等各種閉環(huán)系統流量檢測、電液比較控制和自動(dòng)控制的理想傳感器。其工作原理和單向渦輪傳感器基本相同，為了實(shí)現雙向測量，它采用了兩導向架及葉輪幾何形狀完全對稱(chēng)的結構。

（10）一體型渦輪流量傳感器

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