一、概述

氣體的密度遠小于液體的密度，因此在結構上與液體渦輪流量計有顯著差別，且氣體的密度受溫度、壓力的變化影響較大。因此進行氣體體積流量測量時，多采用帶溫度、壓力補償功能的氣體渦輪流量計，以達到準確測量氣體介質的目的。這種渦輪流量計在測量體積流量的同時，必須跟蹤檢測氣體介質的溫度和壓力，并將不同工況條件下的氣體體積流量換算成標準狀態(tài)下（ρ=101.325kPa， T=273.15K）的體積流量。這種溫度、壓力補償型的氣體渦輪流量計的典型結構如圖1.10所示。

溫度、壓力補償型氣體渦輪流量計可采用電磁感應原理將渦輪轉速轉換為與流體體積流量成正比的脈沖信號。該信號經(jīng)放大、濾波、整形后輸入運算器，與溫度、壓力信號一起進行運算處理，運算器按照氣體狀態(tài)方程進行運算，其結果可以就地顯示或用多種信號形式遠傳。

氣體狀態(tài)方程可寫為

Pa——當?shù)卮髿鈮海?kPa；

P_E——流量計壓力檢測點的表壓力， kPa；

P₀——標準大氣壓（101.325kPa） ；

T₀——標準狀態(tài)下的溫度（273.15K）；

T——被測介質溫度（273.15十 t ） K；

t ——被測介質溫度， ⁰C；

   —— 氣體壓縮因子（對于天然氣壓縮因子，可按中國石油天然氣總公司ST/T6143——1996標準計算）；

Zn —— 標準狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)；

Zg —— 工作狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。

如采用各類單片機技術和微功耗技術作為運算器，則除了溫度、壓力補償外，還可以有報警、自診斷、信號遠傳等多種功能，做到功能強、運算度高、結構緊湊、抗干擾能力強、測量范圍寬、重復性好。氣體渦輪流量計可廣泛應用于單相氣體（包括壓縮氣體）標準體積總量的計量，是石油、化工、電力、冶金以及城市燃氣管網(wǎng)等行業(yè)氣體計量的理想儀表。

二、智能氣體渦輪流量計的設計

智能氣體渦輪流量計的結構設計是在通用渦輪流量計的基礎上增加相應的傳感器組件和微處理器構成的，主要由流量積算儀、溫度傳感器組件、壓力傳感器組件、渦輪流量傳感器四大部分組成。

（一）渦輪流量傳感器設計

渦輪流量傳感器由表體、整流器、渦輪、軸、軸承及信號檢測器組成。

（1）表體   表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。表體采用不導磁的不銹鋼或硬鋁合金制造。表體從外壁裝入溫度、壓力等信號檢測器。測壓孔取位于整流器距離進口1/2~2/3的位置，直徑不得大于3mm；測溫孔取位于渦輪定位座后2D以內。

（2）整流器   在傳感器的進口安裝整流器，它對流體起導向整流以及支撐葉輪的作用。整流器的設計目的是調整氣流的速度分布剖面。整流器導流體的外徑設計同渦輪輪殼外徑。為了使流體的分布均勻，要將整流器設計成軸對稱結構。材質要求選用不導磁不銹鋼或硬鋁材料制作。

（3）渦輪    渦輪亦稱葉輪，是傳感器的檢測元件，它由高導磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，也可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環(huán)來增加一定數(shù)量葉片渦輪旋轉的頻率。葉輪由支架中軸承支撐，與表體同軸，其葉片數(shù)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(jù)流體性質、流量范圍、使用要求等設計。葉輪的動平衡很重要，直接影響儀表性能和使用壽命。葉輪是變送器的敏感元件，也是關鍵元件，所以葉輪的設計將直接影響到變送器的性能好壞。由于儀表常數(shù) k 是葉片安裝角β、頂隙 Δr 、葉柵重疊度以及流通截面的函數(shù)，所以選擇理想的葉輪結構參數(shù)是很重要的。

（4）軸與軸承    軸與軸承支撐葉輪旋轉，需有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等，它決定著傳感器的可靠性和使用期限。流量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很重要的。同時，軸承阻力矩的大小影響流量計的計量性能，為了提高計量的度，得到好的小流量特性，對軸、軸承的設計原則是使軸承阻力矩盡可能小。

（二） 流量積算儀設計

1.流量積算儀的工作原理

流量積算儀是多功能電子式氣體體積校正儀。它接收流量脈沖信號，與高度溫度、壓力傳感器配接，可完成采集溫度、壓力、流量脈沖信號，計算、記錄標準工況 （ ρ=101.325kPa， T=273.15K。根據(jù)用戶要求可取 T =273.15K ） 和實際工況下的瞬時及累積流量，記錄壓力、溫度及狀態(tài)參數(shù)，并對部分狀態(tài)進行報警。

主要功能如下。

①采集流量計的實測體積信號。

②測量氣體溫度和壓力。

③分別計算、顯示、記錄工況和標況瞬時流量，實時數(shù)據(jù)更新。

④根據(jù)用氣單位、供氣單位等不同用戶情況，賦予不同的用戶權限，允許用戶根據(jù)實際情況變更數(shù)據(jù)，這樣利于用戶用氣管理。

⑤信息顯示。

⑥報警信號管理。

⑦數(shù)據(jù)庫管理定時記錄累計體積、壓力、溫度等。

⑧具備脈沖、模擬、RS-485多種輸出信號方式。

⑨低功耗設計，內電源、外供電兩種供電方式結合，正常工作條件下，一般要求5年內無需更換電池。

流量積算儀由溫度、壓力檢測模擬通道，流量檢測數(shù)字通道，以及微處理單元、液晶驅動電路和其他輔助電路組成，并配有外輸出信號接口，其工作原理如圖1.11所示。從各傳感器送來的多路信號經(jīng)轉換處理后，由微處理器按照氣體狀態(tài)方程代入公式運算，實現(xiàn)就地顯示和多種信號遠傳。

2、流量積算儀設計步驟

流量積算儀的設計包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉換蘭大部分。下面是各部分電路設計的實例。

（1） 溫度采集電路設計為了保證采集到的溫度信號的脈沖波形不產(chǎn)生失真，以至于影響對溫度的監(jiān)測，可以為溫度傳感器設計各種橋式濾波電路。該電橋電路首先對采集到的信號進行穩(wěn)壓，隨后利用脈沖分壓器的補償電容對信號進行補償，使輸出脈沖電壓幅值變得平穩(wěn)，并確保波形不產(chǎn)生失真。基本電路如圖1.12所示。

（2） 壓力采集電路設計    壓力采集電路同溫度采集電路一樣，是為了保證采集到的電信號平穩(wěn)，并能保持原采集信號的波形，因此該電路的設計思路同溫度采集電路的設計思路相同。由于考慮到采集到的壓力信號的變化幅度較大，為了確保壓力信號能夠平穩(wěn)，其穩(wěn)壓電路可設計為全波橋式整流電路，基本電路如圖1.13所示。

（3）流量脈沖采集保護電路設計由于流量脈沖信號易于受到外界電磁場的干擾而影響 對信號的檢測結果，因此為了防止外界電磁場的干擾，應該為脈沖輸入信號設計保護電路。保護電路的設計可以根據(jù)具體選定的流量信號傳感器的類別采取相應的設計。

（4）流量脈沖輸出電路及脈沖輸出報警電路的設計流量輸出不僅存在傳輸干擾，而且 外部控制信號有可能反向產(chǎn)生干擾信號。為了避免干擾影響流量測量結果，且能夠在電池電量不足、掉電等情況下，提醒工作人員更換電池，設計報警電路在上述情況下進行報警，并要求控制器自動存儲該時刻的標準狀態(tài)下的瞬時流量、累加流量、溫度、壓力及工況下的累加流量、掉電時刻的時間，以便人工進行補償計算。流量脈沖輸出電路和報警電路設計采用光電隔離技術進行保護，具體電路設計如圖1.14所示。

該電路首先將采集到的流量脈沖信號通過簡單的共發(fā)射極放大電路進行放大，然后將放大的電信號經(jīng)過光電耦合器進行轉換，并利用復合濾波電路對轉換的信號進行整形輸出，這樣就可獲得比較平滑的電信號。

（5）通信接口電路設計采集到的流量信號及處理后的計量數(shù)據(jù)通過 RS-485 或 RS-232 可以進行遠程傳輸，以便進行遠程數(shù)據(jù)管理和控制。對于總線通信接口，選用 MAX485 或 MAX232 。硬件設計要同時包括有 MAX485 和 MAX232，對于在信息傳輸時用哪一個接口是通過軟件實現(xiàn)的。其具體電路設計如圖 1. 15 所示。

（6）數(shù)據(jù)傳輸框圖系統(tǒng)帶有 RS-485 或 RS-232 總線通信方式的數(shù)據(jù)接口，可以通過網(wǎng)絡傳輸所有的存儲數(shù)據(jù)和信息，可以實現(xiàn)遠程收費和管理，且可以在數(shù)據(jù)傳輸時自動切換到外供電，不消耗電池電能。數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖1.16所示。

（7）軟件設計根據(jù)智能氣體渦輪流量計的數(shù)學模型進行數(shù)據(jù)計算時，假定渦輪在正常工作條件下運轉，渦輪轉子以恒定的角速度 ω 運轉，則驅動力矩等于各阻力矩之和。如方程（1.1）所示。采用前述的一元流動模型或二元流動模型，根據(jù)設計的結構計算驅動力矩和各種阻力矩。計算時，先設定渦輪的兩個轉速作為初始值，使在這兩個轉速時，平衡方程的左端分別大于零和小于零。取適當?shù)牟介L，用兩分法自行迭代，計算得zui終渦輪轉速，使其在一定度下計算得出 ω 值，即可得到相應的脈沖數(shù)，進而計算出 q₀ 。主程序框圖可參閱圖1.22。

經(jīng)過標定的基礎表，配接智能頭后進行測量時，利用應用程序進行流量計量的補償和修正，程序流程如圖1.17所示。

（三） 智能氣體渦輪流量計的標定和檢定

對智能氣體渦輪流量計的標定和檢定與普通氣體渦輪流量計的標定、檢定一樣，目的在于實現(xiàn)對流量計儀表換算系數(shù)、度、重復性、瞬時流量等技術指標的測定和實時程序寫入，以及對標定數(shù)據(jù)的檢定。但由于智能氣體渦輪流量計的智能化，使得有些數(shù)據(jù)可以通過軟件直接設定，因而其標定的方法和內容與普通渦輪流量計的標定方法有所不同。

（1） 標定、檢定裝置標定、檢定所需標準裝置是聲速噴嘴法氣體流量標準裝置，其結構如圖1.18所示。對于流量比較大的標準裝置，需選用水環(huán)式真空泵，因此還需配備冷卻塔、離心泵、地下水池、消音器。為了調整入口氣體流場和降低噪聲，還應在入口處安裝喇叭形入口。被檢表的前后直管段應足夠長。此外，還應配備配電柜、計算機、夾表器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2） 產(chǎn)品標定所謂標定是對各流量段檢定流量、檢定時間、流量計脈沖數(shù)、平均儀表系數(shù)的寫入過程。考慮到標定期間的環(huán)境溫度和環(huán)境壓力與標準溫度和壓力差別不大，所以不需進行溫壓補償?shù)臉硕ǎ粯硕ür下基礎表的脈沖。

zui后，將標定結果連同積算儀實測溫度、壓力回寫到積算儀，通過軟件對標定數(shù)據(jù)進行溫度、壓力補償。

智能氣體渦輪流量計的標定、檢定過程與普通渦輪流量計的標定、檢定過程存在一定的差異，這是由于其具有對實際工況的溫度、壓力補償和壓縮系數(shù)修正功能。事實上，通過其標定過程就可以體現(xiàn)其間的差別。經(jīng)過測試表明，標定的儀表換算系數(shù)通過軟件的控制及計算功能能夠很好地實現(xiàn)對測量流量的修正和補償目的，提高計量度。