CN102393236B - 一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法。在流量计壳体内植入电磁线圈，根据设定的间隔时间，施加固定检测力等效模拟流体对涡轮叶片的轴向冲击力，根据检流器测得的频率求出此检测力对应的频率变化量，然后利用流量与频率变化量之间的关系计算出新的仪表系数，根据更新后的仪表系数，得出流量测量值。本发明解决了由于结垢、腐蚀、磨损以及流体介质物理特性改变等带来的仪表系数漂移而造成测量结果不准确的问题。通过在线自诊断功能提高了气体涡轮流量计的测量精度，避免了定期对流量计进行拆卸、定标等不便；延长了流量计的使用寿命，并扩大了其使用范围，使流量计在被测气体清洁度较低的场合仍可以正常使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体涡轮流量计自校正方法，特别是涉及一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法。
背景技术
涡轮流量计是一种可以进行气体体积流量测量的速度式流量仪表，具有结构简单、重量轻、流通能力大等优点。该流量计以动量守恒原理为基础。当被测流体冲击涡轮叶片时，涡轮旋转，旋转速度则随流量变化而变化，通过测量涡轮的转数测算出对应的流量值。瞬时流量和累积流量通过二次仪表进行显示。
目前，气体涡轮流量计普遍存在一类缺点，即涡轮流量计难以长期保持校准特性，在长期运行中不可避免地会产生结垢、轴承磨损、内部间隙变化等问题，同时，在测量过程中，随着被测介质的温度、压力、密度、粘度等介质物理性质变化，同一流量对应的涡轮转速也会不同。尤其是对于气体涡轮流量计，当测量清洁度较低的气体时，这些现象会更加严重，从而导致仪表的测量精确度降低、使用寿命缩短。
目前针对这种情况所出现的涡轮流量计有自校正双涡轮气体流量计和温度、压力补偿型的智能气体流量计等。自校正双涡轮气体流量计表体内装有两个独立旋转的叶轮。入口处为主涡轮，其下游的称为辅涡轮。它的自校正功能依靠辅涡轮来实现，通过对主、辅涡轮输出的信号进行计算，自动、连续地完成对流量测量的自动校正。而温度、压力补偿型的智能气体流量计在通用涡轮流量计的基础上增加了相应的传感器组件和微处理器，测量体积流量的同时，跟踪检测气体介质的温度和压力，将不同工况下的气体体积流量换算成标准状态下的体积流量。
但上述两种流量计尚存在一些不足：对于自校正双涡轮气体流量计，它的结构中必须有一个辅助轮，增加了流量计的长度，而且对于涡轮叶片角、安装角、涡轮的转速、轮壳半径等有严格要求，从而增加了设计成本与制造难度。而温度、压力补偿型的智能气体流量计并不能对涡轮的结垢、腐蚀等因素造成的流量计仪表精度下降有所帮助。而且这种流量计需要进行相应的电路设计，结构复杂、环节繁多，且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
在流量计壳体内植入两个电磁线圈，根据设定的间隔时间，施加固定检测力等效模拟流体对涡轮叶片的轴向冲击力，根据检流器测得的频率求出此检测力对应的频率变化量，然后利用流量与频率变化量之间的关系计算出新的仪表系数，根据更新后的仪表系数，得出流量测量值。
所述的流量计壳体内植入两个电磁线圈的位置必须关于壳体的中心轴线对称，以使两个电磁线圈对涡轮的合力方向为轴向。
所述的间隔时间由用户根据实际流量计仪表系数变化的快慢，通过流量计二次仪表程序进行设定；所施加的检测力，为两个电磁线圈施加在涡轮上的轴向合力△F，检测力的大小为流量计3%～5%满量程的流量所对应的涡轮推动力，且在仪表系数诊断期间轴向力保持不变；施加检测力的持续时间由流量计程序根据当前涡轮转动频率进行控制，持续时间必须大于一个当前涡轮转动周期。
所述的检流器测量出施加检测力前后的频率变化量，根据检测力与涡轮叶片旋转频率之间的正比关系，由公式k2 ’=△F/( f1-f0）计算出新的仪表系数，更新原有的仪表系数，最后再由公式q=kf0= f0*k1 △F/( f1-f0）求出流量值；式中：k2 ’为系数2，△F为固定检测力，f1为施加检测力后检流器测得的频率，f0为施加检测力前检流器测得的频率，q为体积流量，k为总的仪表系数，k1为系数1。
本发明具有的有益效果是：
1、解决了由于结垢、腐蚀、磨损以及流体介质物理特性改变等带来的仪表系数漂移而造成测量结果不准确的问题。通过在线自诊断功能提高了气体涡轮流量计的测量精度，避免了定期对流量计进行拆卸、定标等不便。
2、延长了流量计的使用寿命，并扩大了其使用范围，使流量计在被测气体清洁度较低的场合仍可以正常使用。
本发明可以使用在所有需要对气体体积流量进行测量的场合，尤其在被测气体清洁度较低的场合，其优越性更加显著。
附图说明
图1是气体涡轮流量计在未施加检测力时的工作模式图。
图2是气体涡轮流量计自校正过程中的检测模式图。
其中，1.壳体，2.涡轮，3.电磁线圈，4.电磁线圈，5.检流器，6.信号处理及显示单元。
注：两幅图均为涡轮流量计的简单结构示意图，图中只保留了为论述本发明的方法而保留的必要零部件，其他如轴承、导向架、连接件等已省略。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，在流量计壳体1内植入两个电磁线圈3和4，根据设定的间隔时间，施加固定检测力等效模拟流体对涡轮叶片的轴向冲击力，根据检流器5测得的频率求出此检测力对应的频率变化量，然后利用流量与频率变化量之间的关系计算出新的仪表系数，根据更新后的仪表系数，得出流量测量值。
本发明的关键结构包括流量计壳体1、涡轮2、电磁线圈3和电磁线圈4、检流器5以及信号处理及显示单元6。轴承和导向架等已省略。
如图1、图2所示，电磁线圈3和4要求必须关于壳体的中心线对称，以使两者对涡轮的作用力在管道径向方向相互抵消，保证两电磁线圈3和4对涡轮2的合力方向为轴向。如图2所示，两个电磁线圈3和4对涡轮所施加的力分别为△F 1 和△F 2 ，其合力为△F。图2中的f为施加检测力后的总频率f=f0+△f 。涡轮如果由非磁性材料制成，须在涡轮内部内置电磁线圈，如果由磁性材料制成，可不用内置电磁线圈。另外，线圈的数目也可以相应的增加，但必须保证为偶数，且位置必须关于壳体中心线对称。
预先标定出涡轮推动力F与流量q之间的对应系数k1，满足
q=k 1 F 1
并同时标定出涡轮推动力F 与叶片通过检测点的频率f 之间的对应系数k 2，满足
F=k 2 f 2
虽然涡轮叶片产生腐蚀、结垢、磨损以及流体介质物理特性改变等在理论上会使系数k 1发生变化，但实验表明，以上因素对系数k 1的影响非常小，可以认为在整个过程中系数k 1是固定值。而上述因素对系数k 2影响最大，仪表系数的变化主要是k 2变化引起的。故可以在自校正时用电磁力模拟流体对涡轮的冲击力，通过检测k 2的变化来得到精确的仪表系数。
如图1所示，在普通工作模式时，流体的动能作用于涡轮的螺旋叶片上，产生驱动力矩，使涡轮旋转。涡轮旋转时，驱动力矩必须克服同样作用于涡轮上流过叶片的流体黏性阻力矩、轴承阻力矩、轮壳端部摩擦阻力矩、顶隙阻力矩和作用于轮壳的流体黏性摩擦阻力矩等。在平衡状态时，涡轮处于匀速旋转运动状态，以上的驱动力矩和阻力矩相等。当流体速度变化时，平衡状态随之改变，涡轮的转速也会跟着变化。涡轮的转速可以由检流器5测出的涡轮旋转时叶片通过检测点的频率f得到，即由标定的系数求出此时的流量值：
q=k 1 k 2 f 3
如图2所示，每到设定的时间间隔，系统自动发出一个检测信号，进入检测工作模式，同时系统记录此时的频率f0。间隔时间由用户根据实际流量计仪表系数变化快慢，通过气体涡轮流量计程序进行设定。进入检测模式后，两电磁线圈3和4对涡轮2施加检测力，检测力的大小为流量计3%～5%满量程的流量所对应的涡轮推动力，且在仪表系数诊断期间轴向力保持不变。
施加电磁检测力的持续时间由流量计程序根据当前涡轮转动频率进行控制，由于涡轮流量计采用固定点触发模式进行涡轮转动频率检测，即二次仪表最小检测分辨率为1个转动周期，检测力施加持续时间必须大于一个当前涡轮转动周期。一般情况下，检测力持续时间约为十个转动周期。由于检测时间很短，流场变化一般比较缓慢，可以认为在施加检测力的过程中，流场未发生任何变化，所以可以用此检测力模拟流体对涡轮叶片的冲击力。
由检流器5测出此时的总频率f1,检测力△F 对应的频率增加量为（f1-f0）,此时系统的仪表系数k2已经发生了变化，变成了k2 ’,则
k2’=△F/( f1-f0） 4
在假定系数系统k1不变的前提下，总的仪表系数变为
k=k2’=k1 △F/( f1-f0） 5
更新原来的仪表系数，即可由
q=kf0= f0*k1 △F/( f1-f0） 6
得到更加精确的流量值。
Claims (4)
1.一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法，其特征在于：在流量计壳体（1）内植入两个电磁线圈（3、4），根据设定的间隔时间，施加固定检测力等效模拟流体对涡轮叶片的轴向冲击力，根据检流器（5）测得的频率求出此固定检测力对应的频率变化量，然后利用固定检测力与频率变化量之间的关系计算出新的仪表系数，根据更新后的仪表系数，得出流量值。
2.根据权利要求1所述的一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法，其特征在于：所述的流量计壳体（1）内植入两个电磁线圈（3、4）的位置必须关于壳体（1）的中心轴线对称，以使两个电磁线圈（3、4）对涡轮（2）的合力方向为轴向。
3.根据权利要求1所述的一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法，其特征在于：所述的间隔时间由用户根据实际流量计仪表系数变化的快慢，通过流量计二次仪表程序进行设定；所施加的固定检测力，为两个电磁线圈（3、4）施加在涡轮（2）上的轴向合力，固定检测力的大小为流量计3%～5%满量程的流量所对应的涡轮推动力，且在仪表系数诊断期间轴向合力保持不变；施加固定检测力的持续时间由流量计程序根据当前涡轮转动频率进行控制，持续时间必须大于一个当前涡轮转动周期。
4.根据权利要求1所述的一种气体涡轮流量计的仪表系数自校正方法，其特征在于：所述的检流器（5）测量出施加固定检测力前后的频率变化量，根据固定检测力与涡轮叶片旋转频率之间的正比关系，由公式k2 ’=△F/( f1-f0）计算出新的仪表系数，更新原有的仪表系数，最后再由公式q=kf0= f0*k1 △F/( f1-f0）求出流量值；式中：k2 ’为新的仪表系数，△F为固定检测力，f1为施加固定检测力后检流器测得的频率，f0为施加固定检测力前检流器测得的频率，q为流量值，k为总的仪表系数，k1为第一系数。
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