渦輪流量計(以下簡稱流量計)是以流體動量矩原理為基礎(chǔ)的流量計量儀表。有些科技文獻又將其劃分為速度式儀表，因為在一定的流量范圍內(nèi)，流量計的轉(zhuǎn)動速度與流體的流速成比例關(guān)系。
　　渦輪流量計使用中的主要特點：體積小；重量輕；準(zhǔn)確度高(有的流量計可以當(dāng)作計量標(biāo)準(zhǔn)儀表)；反應(yīng)時間快(有些可達到毫秒級)；量程比寬(一般為10∶1)；壓力損失??；適用工作流體溫度高；輸出為脈沖信號，故不易受到干擾；可以長距離傳輸，便于各種參數(shù)處理。當(dāng)它與多功能、多參數(shù)的顯示儀表(以下簡稱儀表)組合使用時，可以同時對累積流量、瞬時流量或流體溫度、內(nèi)部壓力等參數(shù)進行測量及分析、調(diào)節(jié)。
1 渦輪流量計的工作過程
　　渦輪流量計通常由渦輪(機械部分)、磁電轉(zhuǎn)換器、放大機構(gòu)(電子部分)等組成。

　　當(dāng)流體流經(jīng)安裝在管道里的渦輪，即流經(jīng)渦輪葉片與管道之間的間隙時，由于流體的沖擊作用，使得渦輪圍繞軸心發(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時實驗表明，渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)與介質(zhì)流體的體積流量呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。再將渦輪的旋轉(zhuǎn)通過磁電轉(zhuǎn)換器變換成相對應(yīng)的電脈沖信號，以此脈沖信號經(jīng)電子放大機構(gòu)放大后，即可輸送顯示儀表進行多參數(shù)物理量的指示。
　　由前可知，在測量范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比，而信號的脈沖數(shù)則與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。所以，當(dāng)我們檢測出信號脈沖總數(shù)以后，除以儀表常數(shù)ξ(次/升)，便可計算得到該段時間內(nèi)的介質(zhì)流體總量 V(升)，即：
V＝N/ξ(L) ???????????(1)
舉一例：流量計ξ為 180 次/L，用儀器測出在10,min 內(nèi)儀表計算得的脈沖數(shù)為 7,200 次，則 10,min內(nèi)管道中流過流體的總量為：
V＝N/ξ＝7200 次/180 次/L＝40L
2 渦輪旋轉(zhuǎn)的基本原理
　　渦輪流量計主要組件包括：導(dǎo)流體組件、渦輪組件、殼體、磁電轉(zhuǎn)換器和放大機構(gòu)等。通過對流體流過管道及渦輪結(jié)構(gòu)的分析，我們可以得出，當(dāng)流體沿管道的軸線方向流動而沖擊渦輪葉片時，便有與流量 Q、密度φ和流速 V 的乘積成比例的力作用于葉片上，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。

　　如圖 2 所示，由于渦輪對流體是作相對運動，如果渦輪旋轉(zhuǎn)的圓周速度 V＝w·r 與軸線平行的流速與葉片的夾角為θ，流通面積為 A，則介質(zhì)流速 V＝Q/A，則推動渦輪旋轉(zhuǎn)的力矩 M 可用下式表示：
M＝K1·tgθ·rρQ2/A–ωr2ρQ ???????????(2)
　　式中：K1——與流量計結(jié)構(gòu)尺寸、流體質(zhì)量、狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)；r——平均半徑，常取葉片寬度 1/2 到中心的距離。
由(2)式可知，力矩 M 除與流量 Q 有關(guān)外，與流體介質(zhì)密度ρ、流動狀態(tài)與流向等多個因素有關(guān)。
　　在渦輪旋轉(zhuǎn)時，除推動渦輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動力矩 M外，還同時存在阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)的阻力矩，其中包括：介質(zhì)粘度對渦輪摩擦引起的阻力矩 M1，軸承摩擦引起的阻力矩 M2，磁電轉(zhuǎn)換器引起的磁電反應(yīng)阻力矩M3。根據(jù)動量矩守恒原理，渦輪的運動方程式可以用以下函數(shù)關(guān)系式表示：
Jdω/dt＝M－M1－M2－M3????????? (3)
　　式中：J——渦輪的轉(zhuǎn)動慣量；dω/dt——渦輪的角加速度。
　　由(3)式可知，當(dāng) dω/dt 為零時，渦輪以角速度ω作勻速轉(zhuǎn)動；當(dāng)流量發(fā)生變化時，dω/dt≠0，渦輪將作加速旋轉(zhuǎn)運動，經(jīng)過一段時間后，隨著流量的穩(wěn)定，渦輪又會達到新的力矩平衡狀態(tài)，即 dω/dt 又等于零值。就是說，渦輪將以另一新的角速度勻速旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)新的流量，并出現(xiàn)了新的穩(wěn)定狀態(tài)。
　　通過分析和計算可知，在 dω/dt＝0 時，渦輪轉(zhuǎn)動角速度ω與體積流量 Q 有如下式的近似關(guān)系：
ω＝ξQ－ξa ???????????(4)
　　式中：a——與流量計結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體介質(zhì)、流動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)；ξ——流量計轉(zhuǎn)換系數(shù)，當(dāng)介質(zhì)流量大于某一數(shù)值時，在一段區(qū)間內(nèi)可以近似看作為一常數(shù)，有時也稱為儀表常數(shù)。
　　儀表常數(shù)ξ是流量計重要的特性參數(shù)，由于流量計是通過磁電轉(zhuǎn)換器將角速度ω 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)，因而我們可以把ξ看成是單位體積流量 Q 通過流量計時，轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖數(shù)(脈沖數(shù)/升)，故也稱為流量系數(shù)。流量計作為產(chǎn)品出廠時，生產(chǎn)單位則是測取測量范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換系數(shù)平均值作為儀表常數(shù)，因而可以認(rèn)為流體總量 V 與脈沖數(shù) N 的關(guān)系，如(5)式所示：
V＝N/ξ??????????????? ?(5)
3 磁電轉(zhuǎn)換器的工作過程
磁電轉(zhuǎn)換器工作時如圖 3 所示。
　　當(dāng)流體通過渦輪葉片時，渦輪 5 將發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，葉輪片 4 將周期性切割磁鋼 1 而產(chǎn)生磁力線 3，從而改變通過線圈 2 的磁通量，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動的電勢信號。不難理解，脈動電勢信號的頻率與渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度ω成正比，即與被測介質(zhì)的流量 Q 成正比。通過放大機構(gòu)(電子部分)將上述脈沖信號放大到 1V 左右脈沖電壓，傳送給顯示儀表，即可顯示出被測介質(zhì)的流量數(shù)據(jù)。

4 渦輪流量計顯示儀表工作原理
　　根據(jù)我們對流量計工作原理的分析和探討，得知流量計輸出的信號是電脈沖數(shù)，因此儀表就是將單位時間的輸出脈沖和輸出脈沖的總數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時流量和流體總量，并把以上數(shù)據(jù)進行分析后通過數(shù)字量顯示。因而儀表的組成可以用圖 4 所示的方框圖表示：

4.1 瞬時流量指示
　　瞬時流量指示的實質(zhì)，就是對瞬時頻率、脈沖信號的指示，是將信號處理后的頻率、脈沖線性地轉(zhuǎn)換成直流電信號而指示相應(yīng)的流量參數(shù)。如果是模擬儀表，標(biāo)尺常以頻率(Hz)數(shù)值分度，指示的頻率值 f除以流量計儀表常數(shù)ξ就能夠得到瞬時體積流量值Q。如圖 5 所示的頻率瞬時指示原理方框圖。

　　經(jīng)過整形后的輸入頻率(脈沖)作用于計算電路的輸入端 T，使電路中交替出現(xiàn)截止或?qū)▋煞N狀態(tài)，放大器輸出端脈沖波形被整形，與 T 的波形相反，當(dāng)放大電路出現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)時，電源 E 通過外圍電路(或集成內(nèi)部)在儲能電容 C 中預(yù)存電荷；當(dāng)放大電路出現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)時，C 預(yù)存的電荷通過外圍電路(或集成內(nèi)部)迅速釋放。就這樣輸入的頻率(脈沖)經(jīng)過電子電路改變?yōu)榕c之相對應(yīng)的電流信號。電路里的電流指示儀表 4 即刻顯示該計量電流值 I 的多少，I＝q/T，而 q＝C·E，f＝1/T(q 為一個脈沖周期電容所充電荷量；C 為電容量；E 為電源電壓值；f 為充放電頻率)。合并三式可得到公式(6)：
I＝C·E·f ?????????????(6)
　　由公式(6)可知，當(dāng)電源電壓 E 和電容量 C 為常數(shù)時，電流 I 與輸入脈沖的頻率 f 成正比，當(dāng)更改外圍電路(或集成內(nèi)部)儲存電荷的電容 C(1～n)參數(shù)或連接方式以及改變電路數(shù)據(jù)時，就可以得到不同介質(zhì)的流量測量范圍。在有些流量計結(jié)構(gòu)中，為了便于檢查指示儀表是否工作正常，在放大器輸入端設(shè)置有自檢電路裝置。它將振蕩器產(chǎn)生的恒定頻率脈沖信號送入后置電路，實現(xiàn)自動檢測工作正常與否的目的。
4.2 總量積算
　　前述我們介紹了流量計工作原理，通常還要計量在一定時間范圍內(nèi)，流量計流過介質(zhì)的體積或質(zhì)量的累積量，因此顯示儀表具有累積計算功能。下面我們根據(jù)流量計實際工況對一種累積值計算方法的實現(xiàn)進行分析。
圖 6 為一種應(yīng)用除法方案進行累積計算的組成原理圖。

　　由圖 6 可知，此積算器構(gòu)成中包括了整形、累積脈沖計數(shù)、系統(tǒng)設(shè)定、總量積算、軟件數(shù)據(jù)的控制等。其 4 個輸出端分別與四層波段開關(guān)的各層相連，通過軟件控制，組成了系統(tǒng)設(shè)定器。根據(jù)流量計系數(shù)ξ的值，可以在 0～9,999(其他參數(shù)也可以)之間任意選擇設(shè)定系數(shù)。
　　由放大電路機構(gòu)輸出的脈沖信號，經(jīng)整形處理后，成為具有一定幅值和能滿足前沿要求的脈沖信號，將此信號轉(zhuǎn)入換算電路機構(gòu)，它每輸出一個脈沖信號便拖動計數(shù)電路機構(gòu)統(tǒng)計一個數(shù)碼參數(shù)，同時軟件功能即可識別紀(jì)錄出一個數(shù)字量，表明已經(jīng)有一個單位介質(zhì)體積的流量流過流量計。此時換算電路單元輸出的信號直接改變觸發(fā)穩(wěn)態(tài)電路，使各計數(shù)參數(shù)值恢復(fù)到起始的“零”狀態(tài)，重復(fù)此過程即完成了累積脈沖的積算，就是對累積流量介質(zhì)的積算。
　　例如：口徑為 80,mm 的流量計，流量系數(shù)ξ為16.25 脈沖/升，通過軟件將系數(shù)設(shè)定分別置于 1、6、2、5，則每當(dāng)計數(shù)器收到 1,625 個脈沖信號的瞬時，軟件操作發(fā)出指令并輸出一個固定頻率信號，使電路狀態(tài)發(fā)生變化，使計數(shù)電路結(jié)構(gòu)統(tǒng)計一個計量單位，從而實現(xiàn)了逢 K 進一的累計運算，顯示儀表就能夠顯示出流體介質(zhì)總量。
　　通過上例分析可知，如果流量計輸送到顯示儀表的脈沖總數(shù)為 N，經(jīng)換算后，送到總量積算器的脈沖數(shù)為 Nc，則流體介質(zhì)計量總量為：
V＝N/ξ＝N/ξ·10m/10m＝N/K·10m ????????????(7)
　　式中：K 為設(shè)定系數(shù)，(K＝10m·ξ)；m 為整數(shù)。
　　本除法方案設(shè)定系數(shù)的方式較為簡單，穩(wěn)定性比較好，電路容易實現(xiàn)，可以直接將流量系數(shù)ξ 輸入軟件中，控制系數(shù)設(shè)定器，積算器就可以逢 K 進一，顯示儀表指示出流體介質(zhì)總量。
5 結(jié)束語
　　本文對渦輪流量計流量計和儀表的工作原理進行了分析，總結(jié)了其工作過程。重點對參數(shù)設(shè)定方法、電路組成及作用等進行了說明。文章對測量不同介質(zhì)狀態(tài)下選擇流量計以及使用方法和過程調(diào)試具有一定指導(dǎo)意義。