气体涡轮流量计流量传感器的结构组成和设计要求
气体涡轮流量计流量传感器的结构组成和设计要求
以轴流式为例，涡轮流量传感器一般结构主要由壳体、前导流体（整流器）、导流圈、涡轮（叶轮）、防尘迷宫件、轴承、主轴、内藏式储油管、后导流体、加油系统、讯号发生’盘、信号传感器、压力传感器、温度传感器、内藏式四通阀组件（有些厂家考虑到用户使用方便而采用）等组成，如图2-9所示。各主要部件的功能作用如下
图2-9涡轮流量传感
器结构分解图
1．壳体
壳体是传感器的主体部件，可以起到承受被测流体的压力、固定安装检测部件、连接管道的作用。根据实际被测流体压力及化学性质需要，材料可选用硬铝合金、不导磁的铸钢和不锈钢等。对于大口径传感器也可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构。
2．前导流体
前导流体对被测流体起压缩、整流、导向作用和支撑叶轮的作用（若采用导流圈时还起到固定导流圈的作用），材料可选用塑料、锌合金、铝合金、不导磁不锈钢。
3．导流圈
导流圈对被测流体进行导向、节流、调整流量，对仪表流量范围分段有重要作用，材料为铝合金。
4．涡轮（叶轮）
涡轮是传感器的检测元件，接受流体动量、克服阻力矩，也是齿轮传动机构的动力源。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种。不同厂家根据需要采用不同的材料制造，它可由高导磁性材料制成，其高频信号可以由叶轮切割电感传感器产生。也可选用塑料或铝合金材料制造，并在其上镶嵌导磁体或磁体，或在后面通过增加发信盘以产生高频信号。对气体涡轮流量计而言，当通径dn≤200mm时材料可选用塑料或铝合金，当通径dn> 200mm时材料选用铝合金。制造铝合金涡轮成本较高，但稳定性好、强度高，维修费用小。叶轮由支架中轴承支撑，与表体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计。叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表性能和使用寿命，因此，加工完成后必需严格进行动平衡校检。
5．防尘迷宫件
防尘迷宫件可避免灰尘进入机芯起到保护轴承的作用，该件设计的优劣直接影响涡轮流量计寿命。实际使用证明静密封比动密封防尘效果好，与涡轮一起设计形成径向迷宫。
6．轴承
轴承可支撑主轴和叶轮旋转，减小转动轴摩擦力矩。需选用高精度、低噪声．有足够的刚度、强度和硬度及耐磨性、耐腐蚀性好的不锈钢轴承。它和主轴一起直接决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此其结构与材料的选用以及维护是很重要的。
7．主轴
主轴起传动、支承的作用，它与轴承的装配结构、装配精度以及主轴本身同轴度，直接影响流量计准确度及使用寿命。材料也要选用耐磨性好、高硬度的不锈钢。
8．内藏式储油管
对于采用加油系统的涡轮流量传感器，一般会采用内藏式储油管，它是加油系统的缓冲装置，可有效避免因一次加油过量影响仪表准确度及污染机芯，也可有效避免使用过程中因失油造成轴承损伤。对于不采用加油系统的，无此机构。
9．后导流体
后导流体支承轴承、机芯、加油连接件，防止灰尘进入机芯，材料为铝合金或锌合金反推式涡轮流量传感器的后导流体还要求能产生足够的反推力，其结构形式很多。
10．加油系统
加油系统由油杯组件、止回阀、油管、接头、密封圈等组成。不采用加油系统的无此机构。
11．讯号发生盘
讯号发生盘由铝合金或塑料圆盘镶嵌磁体或导磁体组成，它与涡轮同步转动，周期性改第二章 选型、应用及设计制造变磁场强度，由磁传感器将叶轮旋转的高频信号检测输出。若涡轮已经采用高导磁性材料制成，或其上已镶嵌有导磁体或磁体，就无需该部件。
12．信号传感器
信号传感器可以感应涡轮或讯号发生盘产生的磁场变化，产生脉冲信号，并传递给前置放大器。目前国内常用变磁阻式，其电磁感应器件分磁阻式磁电感应转换器和半导体磁阻传感器两种。磁阻式磁电感应转换器由磁钢、导磁棒（铁芯）和线圈等组成，其优点为结构和原理简单，缺点为由于磁钢对叶片或发讯盘有吸引力，会产生磁阻力矩，在诸阻力矩中成为主要项，对涡轮流量传感器的始动和小流量性能有较大影响。其次，这种感应方式对磁场的线切割速度较敏感，当涡轮转速很低时电感线圈输出信号很弱，难于检测，会出现涡轮慢转而无信号输出情况。半导体磁阻传感器为半导体磁敏器件，对磁场敏感且与转速无关，同时无磁吸力，因此该检测方式有利于降低始动流量和提高小流量检测准确度。
13．压力传感器
带温度压力修正功能的流量计均有压力传感器，一般为压阻式压力传感器。
14．温度传感器
带温度压力修正功能的流量计均有温度传感器，一般为铂电阻，也可以用数字温度传感器。
15．内藏式四通阀组件
一般是一体化温压补偿型气体涡轮流量计设计具有内藏式四通阀组件，主要是考虑现场校准的管道试压的方便。但大部分产品没有该部件。
温压补偿数学模型
由于气体涡轮流量计一般用于贸易计量场合，且在中国一般都是以20。c，101. 325kpa为标准状态的累计体积流量作为结算依据，因此，就必须配套温度、压力补偿仪或流量计算机和变送器，将工作状态下的体积流量转化为标准状态下的体积流量，换算是按理想气态方程进行的。
g= 3600 x[/k (2-1)
(zz(pg/pn)[293. 15/(273. 15 +t)qg (2—2)
g.=(zn／zg)×(pg／p.)×[293.15／(273.15+t)]×qg
z。/zg =f：2 (2-3)
式中z。/z。——压缩因子修正系数；
g。——工况流量，m3/h；
g。——标况流量，1113／}1；
p。——介质压力，kpa；
p。——一个标准大气压( 101. 325 kpa)
下标n表示标准状态下的参数，下标g表示工况状态下的参数。
由于该流量计主要使用领域为天然气计量，故压缩因子修正系数的确定可先计算天然气的超压缩系数f。，再按zn/z。=f计算压缩因子修正系数(z。/z。)。当天然气的计量系统符合gb/t 18603表al准确度为*要求时，必须按gb/t 17747规定的按天然气的摩尔组成数据( gb/t 17747. 2-1999)和物性值数据(gb/t 17747. 2-1999)进行计算，这是流量计算机系统所采用的办法。而当天然气的计量系统符合gb/t 18603表al准确度为b、c级要求时，可按aga nx -19中的有关公式进行计算，它为介质温度￡、压力pg.天然气真实相对密度g．及氮气和二氧化碳的摩尔分数m。、m。的函数，即zn／zg= f2= f(pg,t,gr,mn,mc) (2-4)
对于其他介质，可以采用天然气的压缩修正系数近似取代
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图2-9涡轮流量传感
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1．壳体
壳体是传感器的主体部件，可以起到承受被测流体的压力、固定安装检测部件、连接管道的作用。根据实际被测流体压力及化学性质需要，材料可选用硬铝合金、不导磁的铸钢和不锈钢等。对于大口径传感器也可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构。
2．前导流体
前导流体对被测流体起压缩、整流、导向作用和支撑叶轮的作用（若采用导流圈时还起到固定导流圈的作用），材料可选用塑料、锌合金、铝合金、不导磁不锈钢。
3．导流圈
导流圈对被测流体进行导向、节流、调整流量，对仪表流量范围分段有重要作用，材料为铝合金。
4．涡轮（叶轮）
涡轮是传感器的检测元件，接受流体动量、克服阻力矩，也是齿轮传动机构的动力源。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种。不同厂家根据需要采用不同的材料制造，它可由高导磁性材料制成，其高频信号可以由叶轮切割电感传感器产生。也可选用塑料或铝合金材料制造，并在其上镶嵌导磁体或磁体，或在后面通过增加发信盘以产生高频信号。对气体涡轮流量计而言，当通径dn≤200mm时材料可选用塑料或铝合金，当通径dn> 200mm时材料选用铝合金。制造铝合金涡轮成本较高，但稳定性好、强度高，维修费用小。叶轮由支架中轴承支撑，与表体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计。叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表性能和使用寿命，因此，加工完成后必需严格进行动平衡校检。
5．防尘迷宫件
防尘迷宫件可避免灰尘进入机芯起到保护轴承的作用，该件设计的优劣直接影响涡轮流量计寿命。实际使用证明静密封比动密封防尘效果好，与涡轮一起设计形成径向迷宫。
6．轴承
轴承可支撑主轴和叶轮旋转，减小转动轴摩擦力矩。需选用高精度、低噪声．有足够的刚度、强度和硬度及耐磨性、耐腐蚀性好的不锈钢轴承。它和主轴一起直接决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此其结构与材料的选用以及维护是很重要的。
7．主轴
主轴起传动、支承的作用，它与轴承的装配结构、装配精度以及主轴本身同轴度，直接影响流量计准确度及使用寿命。材料也要选用耐磨性好、高硬度的不锈钢。
8．内藏式储油管
对于采用加油系统的涡轮流量传感器，一般会采用内藏式储油管，它是加油系统的缓冲装置，可有效避免因一次加油过量影响仪表准确度及污染机芯，也可有效避免使用过程中因失油造成轴承损伤。对于不采用加油系统的，无此机构。
9．后导流体
后导流体支承轴承、机芯、加油连接件，防止灰尘进入机芯，材料为铝合金或锌合金反推式涡轮流量传感器的后导流体还要求能产生足够的反推力，其结构形式很多。
10．加油系统
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11．讯号发生盘
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信号传感器可以感应涡轮或讯号发生盘产生的磁场变化，产生脉冲信号，并传递给前置放大器。目前国内常用变磁阻式，其电磁感应器件分磁阻式磁电感应转换器和半导体磁阻传感器两种。磁阻式磁电感应转换器由磁钢、导磁棒（铁芯）和线圈等组成，其优点为结构和原理简单，缺点为由于磁钢对叶片或发讯盘有吸引力，会产生磁阻力矩，在诸阻力矩中成为主要项，对涡轮流量传感器的始动和小流量性能有较大影响。其次，这种感应方式对磁场的线切割速度较敏感，当涡轮转速很低时电感线圈输出信号很弱，难于检测，会出现涡轮慢转而无信号输出情况。半导体磁阻传感器为半导体磁敏器件，对磁场敏感且与转速无关，同时无磁吸力，因此该检测方式有利于降低始动流量和提高小流量检测准确度。
13．压力传感器
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g= 3600 x[/k (2-1)
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g.=(zn／zg)×(pg／p.)×[293.15／(273.15+t)]×qg
z。/zg =f：2 (2-3)
式中z。/z。——压缩因子修正系数；
g。——工况流量，m3/h；
g。——标况流量，1113／}1；
p。——介质压力，kpa；
p。——一个标准大气压( 101. 325 kpa)
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