渦輪流量計(jì)采用渦輪進(jìn)行測(cè)量的流量計(jì)。它先將流速轉(zhuǎn)換為渦輪的轉(zhuǎn)速，再將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成與流量成正比的電信號(hào),渦輪流量計(jì)是由渦輪流量傳感器與顯示儀表組成，是本廠采用國外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)制造的，是液體計(jì)量最理想的流量計(jì)之一按儀表功能分類可分為3大類
1、氣體渦輪流量傳感器/變送器:該類渦輪流量產(chǎn)品本身不具備現(xiàn)場(chǎng)顯示功能，僅將流量信號(hào)遠(yuǎn)傳輸出。流量信號(hào)可分為脈沖信號(hào)或電流信號(hào)（4-20mA）；儀表價(jià)格低廉，集成度高，體積小巧，特別適用于與二次顯示儀、PLC、DCS等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配合使用。該類渦輪流量計(jì)均為防爆產(chǎn)品，防爆等級(jí)為：ExdIIBT6.。
應(yīng)用場(chǎng)合:：可作為工況流量信號(hào)的采集儀表，將流量信號(hào)遠(yuǎn)傳至上位機(jī)
2、智能一體化氣體渦輪流量計(jì)
一體化智能儀表，采用雙排液晶現(xiàn)場(chǎng)顯示，具有機(jī)構(gòu)緊湊、讀數(shù)直觀清晰、可靠性高不受外界電源干擾、抗雷擊、成本低等明顯優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)合:：
1.在溫度、壓力相對(duì)穩(wěn)定的工況現(xiàn)場(chǎng)，作為工業(yè)控制儀表。
2.在溫度、壓力相對(duì)穩(wěn)定的工況現(xiàn)場(chǎng)，用戶可根據(jù)儀表示值氣體方程 自行運(yùn)算到標(biāo)況流量。
3、智能溫壓補(bǔ)償一體化氣體渦輪流量計(jì)
HLWQ-D型氣體渦輪量計(jì)內(nèi)置溫度、壓力傳感器和智能流量積算儀，通過微處理單元對(duì)實(shí)時(shí)采集的流量、溫度、壓力信號(hào)按照氣態(tài)方程進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，自動(dòng)進(jìn)行壓縮因子修正，然后將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量直觀的顯示出來。
應(yīng)用場(chǎng)合:：精確計(jì)量或貿(mào)易結(jié)算
1、時(shí)差法超聲波流量計(jì)：
  測(cè)量原理超聲波流量計(jì)主要由超聲換能器、信號(hào)處理單元以及顯示部分組成。超聲波流量計(jì)按其工作原理主要可分為時(shí)差式、相差式、頻差式、多普勒超聲波流量計(jì)等。時(shí)差法測(cè)量超聲波原理［1］是通過發(fā)射超聲波換能器以與氣體流動(dòng)方向成銳角發(fā)射超聲波信號(hào)，由接收超聲波換能器接收超聲波信號(hào)，通過測(cè)量超聲波在管道氣體中的順流和逆流的傳播時(shí)間差計(jì)算氣體的流速，進(jìn)一步推導(dǎo)出氣體的流量。
  超聲波流量計(jì)尤其適用于大管徑或者不易接觸等特殊場(chǎng)合，是非接觸測(cè)量的一種。時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理如圖 1 所示。超聲波在氣體中的傳播速度由氣體傳播速度 v 在超聲波傳播方向的分量 v 和靜態(tài)下超聲波傳播速度 c 合成，超聲波順流和逆流的傳播速度 td和 tu分別為：
傳播速度 td和 tu分別為
傳播速度 td和 tu分別為
圖 1 時(shí)差法測(cè)量原理
式中: td和 tu分別為超聲波順流和逆流的傳播時(shí)間; α 為超聲波傳播方向與水平方向夾角; L 為傳播距離?？衫檬? 1) 和式( 2) 得出流體流速的表達(dá)式:v=L2cosα(1td－1tu) ( 3)
  式中 v 是流體的速度。測(cè)量距離 L、超聲波傳播方向與水平夾角為已知量，td和 tu可通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，在排出外界溫度環(huán)境影響的條件下，可求出氣體傳播速度，從而得到流量信息。
2、系統(tǒng)構(gòu)成及檢定過程：
2.1、系統(tǒng)構(gòu)成氣體流量計(jì)：
  在線檢定系統(tǒng)主要包括被檢流量計(jì)管段、標(biāo)準(zhǔn)管段、超聲波換能器、信息采集模塊、主控系統(tǒng)等部分。氣體流量計(jì)在線檢定系統(tǒng)采用雙聲道超聲換能器夾在特殊材質(zhì)的管道上，將被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)串聯(lián)起來，通過采集被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量信息，存儲(chǔ)相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流量和累積流量，最終通過對(duì)比，計(jì)算出二者誤差，整套實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖 2 所示。
圖 2 燃?xì)饬髁坑?jì)在線檢定系統(tǒng)示意圖
圖 2 燃?xì)饬髁坑?jì)在線檢定系統(tǒng)示意圖
  在上位機(jī)中控制標(biāo)準(zhǔn)表的檢定時(shí)間，將被檢流量計(jì)某一時(shí)間的流量信號(hào)保存在下位機(jī)中，當(dāng)一個(gè)流量點(diǎn)檢定完成后，由上位機(jī)根據(jù)檢定的起止時(shí)間通過 Internet 網(wǎng)絡(luò)查詢被檢表的流量，從而完成精確測(cè)量。由于外夾式流量計(jì)無法精確測(cè)量管道截面積以及插入式流量計(jì)必須使超聲波接觸介質(zhì)，不能在線測(cè)量等缺點(diǎn)，該系統(tǒng)采用西門子改造的一種帶換能器探頭的標(biāo)準(zhǔn)管段，可以實(shí)現(xiàn)探頭和換能器的分離。
2.2、檢定過程：
使用該檢定系統(tǒng)進(jìn)行檢定的操作步驟如下:
( 1) 管道直徑測(cè)量。利用卷尺和三角板在標(biāo)準(zhǔn)管道上的同一截面上分別進(jìn)行測(cè)量 n 次，D 滿足公式:
D=( D1+ D2+ D3+ …… + Di)n( 4)根據(jù)式( 4) 計(jì)算出管道的外徑。
( 2) 管道材質(zhì)及表面處理。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)上可供選擇的材質(zhì)類型，選擇與所用管道相同或者相近的材質(zhì)類型，并利用砂布對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管道表面進(jìn)行打磨處理。然后在測(cè)量好的管道上粘貼 CC129 膜，以便使換能器更順利地采集超聲波信號(hào)。
( 3) 安裝超聲換能器。雙通道超聲波流量計(jì)共 4 個(gè)換能器，安裝的時(shí)候需注意兩對(duì)換能器的對(duì)應(yīng)，一對(duì)全為 A，另外一對(duì)為 B。另外與流量計(jì)和換能器相連的 4 條電纜線，同樣將一對(duì)換能器與一個(gè)通道相連的電纜對(duì)應(yīng)，并根據(jù)管道中氣體的流動(dòng)方向分清電纜上所對(duì)應(yīng)的 UP 和 DOWN，在換能器與管道接觸表面均勻涂上耦合劑，安裝時(shí)以全面耦合為最佳［2］，避免換能器與管道之間縫隙的存在，影響超聲波信號(hào)的測(cè)量。
( 4) 換能器信號(hào)檢測(cè)。在超聲波流量計(jì)上輸入管道參數(shù)和管道中的氣體參數(shù)建立檢定現(xiàn)場(chǎng)，流量計(jì)將根據(jù)輸入的參數(shù)，給定換能器的安裝距離。換能器安裝完之后，流量計(jì)將進(jìn)行自檢過程，若安裝正確，流量計(jì)屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框顯示當(dāng)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度和管道內(nèi)的聲速。
( 5) 計(jì)算誤差。利用檢定系統(tǒng)，分別讀取一定時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量分別計(jì)算出被檢流量計(jì)的誤差和重復(fù)性［3］。公式如下
計(jì)算公式
槡2× 100% ( 7)式中: ( qs)ij為第 j 次檢定的標(biāo)準(zhǔn)值; Ei為被檢流量計(jì)第 i 個(gè)流量點(diǎn)的示值誤差; ( Er)i為被檢流量計(jì)第 i 個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性。
( 6) 生成報(bào)告。由 USB 數(shù)據(jù)采集卡采集被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的流量，并通過 USB 接口顯示在上位機(jī)中，檢定結(jié)束后，將數(shù)據(jù)和被檢表信息保存到 Excel 表格中，生成檢定報(bào)告，出具相應(yīng)的檢定/校準(zhǔn)證書。
3、硬件設(shè)計(jì)：
  氣體流量計(jì)在線檢定系統(tǒng)硬件部分由信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊以及人機(jī)接口電路 3 部分組成。信號(hào)調(diào)理模塊: 完成超聲波信號(hào)的放大、濾波以及 A/D 轉(zhuǎn)換，以供單片機(jī)進(jìn)行處理;信號(hào)處理模塊: 完成數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算及與計(jì)算機(jī)通訊功能; 人機(jī)接口電路: 完成處理后輸出信號(hào)的采集和相應(yīng)軟件系統(tǒng)的顯示功能。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示。
圖 3 硬件結(jié)構(gòu)框圖
圖 3 硬件結(jié)構(gòu)框圖
  系統(tǒng)工作過程為: 由被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)輸出的兩路模擬信號(hào)量，需經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，然后經(jīng)過信號(hào)處理模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，最后通過人機(jī)接口電路顯示并保存檢測(cè)結(jié)果，可通過視頻、ＲS － 232 接口或 ＲS －485 接口 3 種方式與計(jì)算機(jī)通訊。
3.1、信號(hào)調(diào)理模塊：
  由標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)采集的信號(hào)是 4 ～ 20 m A 的電流信號(hào)［4］，由于輸出的模擬信號(hào)且比較微弱，因此需進(jìn)行放大、濾波和調(diào)幅等處理。由于此裝置用來完成計(jì)量檢定，因此對(duì)精確度要求較高，選擇 AD8250 作為放大芯片，該程控放大器具有低的輸出噪聲及低失真性等特點(diǎn)，可保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。A / D 轉(zhuǎn)換芯片選擇 AD7321，它是一個(gè)雙通道、12 位帶符號(hào)位的逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器有高速串行接口，最高吞吐量可達(dá) 500 KSPS，具有精度高，轉(zhuǎn)換速度快且功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
3.2、信號(hào)處理模塊：
  信號(hào)處理模塊采用可編程邏輯器件 EMP1270T144C5N 芯片，對(duì)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)信號(hào)進(jìn)行處理，它可提供豐富的邏輯資源，且功耗低，IO 接口多，可擴(kuò)展性強(qiáng)。在 EPM1270 與單片機(jī)的接口電路通過 2 片 74ALVC164245，將電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可用的 + 5 V電壓，來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。利用 JTAG 下載接口將從流量計(jì)上采集的信息下載到存儲(chǔ)芯片 ＲAM 上，下位機(jī)能夠通過視頻、ＲS －232 接口或 ＲS －485 接口任意一種方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
3.3、人機(jī)接口電路人機(jī)接口：
  電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了給工作人員提供友好的工作平臺(tái)，協(xié)助完成計(jì)量檢定工作，使氣體流量計(jì)的檢定流程可以集檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、生成檢定結(jié)果報(bào)告和檢定記錄于一體，并最終打印檢定結(jié)果證書。該系統(tǒng)通過 USB 采集芯片來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，通過軟件編程完成可視化操作界面，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)以及外部更多輔助設(shè)備的信息交換。
4、軟件：
  設(shè)計(jì)由于該在線氣體流量計(jì)檢定系統(tǒng)主要應(yīng)用于氣體流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢定，因此需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易操作的工作界面以供檢定工作人員操作。該設(shè)計(jì)采用面相對(duì)象的思想，用戶界面采用VB 程序設(shè)計(jì)開發(fā)，檢定數(shù)據(jù)采用 Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，且易于更新。軟件部分編程包括數(shù)據(jù)傳輸部分和檢定部分。數(shù)據(jù)傳輸部分通過使用動(dòng)態(tài)鏈接庫和初始化函數(shù)來實(shí)現(xiàn) A/D 數(shù)據(jù)采集。檢定部分是軟件設(shè)計(jì)的核心，檢定結(jié)果與客戶的利益密切相關(guān)，是保證計(jì)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。檢定流程圖如圖 4 所示。
圖 4 軟件主程序流程圖
圖 4 軟件主程序流程圖
  檢定開始時(shí)，將換能器等信息采集裝置安裝到待測(cè)管道上，待傳感器等測(cè)量電路連接完備，進(jìn)入到主程序界面，每隔一段時(shí)間采集流量信息，同時(shí)在檢定界面上顯示，并且將流量數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)庫中。將標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表的瞬時(shí)流量和累積流量分別對(duì)比，得到誤差和不確定度。軟件工作流程為: 系統(tǒng)上電后，首先對(duì)采集模塊進(jìn)行初始化，初始化主要完成設(shè)定采集信號(hào)時(shí)間間隔、檢定點(diǎn)數(shù)等準(zhǔn)備工作，設(shè)置好 A/D 轉(zhuǎn)換頻率之后，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取采集到的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到緩存區(qū)域，然后對(duì)采集到的相應(yīng)流量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換為被檢儀表的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，并將有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)起來。
  可視化操作界面可根據(jù)流量計(jì)的種類選擇不同的檢定方式，如 A/D 轉(zhuǎn)換、脈沖方式和視頻采集方式等，檢定完成后將結(jié)果通過數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)起來，以便查詢歷史記錄。


5、系統(tǒng)的應(yīng)用及影響測(cè)量精確度因素分析:
5.1、系統(tǒng)的應(yīng)用氣體：
  流量計(jì)檢定系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢定裝置相比，體積小，易于攜帶，適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢定所采用的外夾式1010GCN 超聲波流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定，精度符合相關(guān)計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)方可作為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)檢定計(jì)量器具。將外夾式標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的傳感器安裝于被檢管段式流量計(jì)前端管道上，排除溫度、壓力、氣體參數(shù)等因素的影響，表 1 為用 1010GCN 超聲波流量計(jì)作為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行在線測(cè)量的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)通過 4 次測(cè)量，得到被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì) 3 min 內(nèi)的累積流量。設(shè)被檢表流量記為 Q1，在線檢定系統(tǒng)所用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)流量為 Q，相對(duì)誤差用 δ 來表示，計(jì)算公式為:
表 1 現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)結(jié)果
表 1 現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)結(jié)果
  現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，受現(xiàn)場(chǎng)溫度等環(huán)境因素影響，被檢流量計(jì)雖然與實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果有一定的差異，但其工作穩(wěn)定，誤差均在檢定規(guī)程允許的范圍之內(nèi)。所用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)雖有波動(dòng)，但完全可以作為現(xiàn)場(chǎng)檢定流量計(jì)的計(jì)量器具。
5.2、影響測(cè)量精確度因素：
  分析通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果分析，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢定經(jīng)驗(yàn)，影響測(cè)量精度的因素歸納為以下幾點(diǎn):
( 1) 現(xiàn)場(chǎng)檢定環(huán)境跟實(shí)驗(yàn)室相比，現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)信號(hào)傳播衰減幅度大、檢波不穩(wěn)定、信號(hào)干擾嚴(yán)重及流場(chǎng)影響等問題，需要采取一定的措施盡量減少外界環(huán)境因素帶來的影響。
( 2) 對(duì)于小型供氣企業(yè)來說，管道本身的壓力一般為0． 6 ～1． 0 MPa． 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)裝置所用的金屬管道對(duì)聲速的衰減幅度較大，導(dǎo)致超聲波換能器夾在管道上不能測(cè)到流體信號(hào)，影響檢定結(jié)果。因此，通過實(shí)驗(yàn)，找出一種能替代金屬管道作為安裝換能器的管道，成為該系統(tǒng)需要解決的另外一個(gè)問題。
( 3) 換能器安裝方式的影響。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢定低壓環(huán)境下，不同管道材質(zhì)對(duì)換能器安裝方式有一定影響。流量積算儀的推薦安裝方式為 V 型，對(duì)于流態(tài)分布紊亂使應(yīng)用條件變差的流體［6］，反射式安裝可提供補(bǔ)償。直射式( Z) 型安裝可以獲得較強(qiáng)的換能器信號(hào)，由于系統(tǒng)采用塑料管道，管道材料對(duì)聲速的衰減較大，采用 Z 型安裝效果更好。
( 4) 換能器安裝距離的影響。探頭的安裝距離必須保證準(zhǔn)確。在檢定中為了保證最佳信號(hào)強(qiáng)度，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)上提供的換能器最佳距離，平行移動(dòng) 2 個(gè)探頭，在保證探頭的安裝距離符合要求的前提下尋找最佳安裝點(diǎn)，并通過實(shí)際測(cè)量確保探頭的安裝距離準(zhǔn)確無誤。
6、結(jié)束語：
  隨著國內(nèi)燃?xì)馐聵I(yè)的飛速發(fā)展，在線校準(zhǔn)檢定是未來發(fā)展的重要趨勢(shì)，特別是運(yùn)用方便小巧的檢定裝置。通過試驗(yàn)表明，多次試驗(yàn)之后總結(jié)出來的提高檢定裝置準(zhǔn)確性的方法，能夠使得在線檢定準(zhǔn)確度達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，并且使其應(yīng)用越來越廣泛化。

選擇適合自己的渦輪流量計(jì)需要在選型時(shí)考慮以下5個(gè)方面
1、根據(jù)計(jì)量目的要求：
要求選擇帶瞬時(shí)流量還是累積流量(累計(jì)流量)、流量顯示的單位、測(cè)量準(zhǔn)確度、重復(fù)性、線性度、流范圍和范圍度、測(cè)量溫度、壓力損失、溫壓補(bǔ)償、輸出信號(hào)特性和響應(yīng)時(shí)間等。不同測(cè)量對(duì)象有各自測(cè)量目的，在渦輪流量計(jì)性能方面有其不同側(cè)重點(diǎn)。
　
2、測(cè)量介質(zhì)性質(zhì)要求：
化學(xué)腐蝕和結(jié)垢，流體的化學(xué)性有時(shí)成為選擇測(cè)量方法和儀表的決定因素。某些流體會(huì)引起儀表接觸零件腐蝕，表面結(jié)垢或析出結(jié)晶體金屬表面產(chǎn)生電解化學(xué)作用。
　
3、測(cè)量介質(zhì)組相的要求：
根據(jù)測(cè)量介質(zhì)是單一相變介質(zhì)還是測(cè)量多相和多組分流動(dòng)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待。渦輪流量計(jì)測(cè)量單項(xiàng)潔凈的介質(zhì)，電磁流量計(jì)可測(cè)量固液兩相混合介質(zhì)等。
　
4、壓縮系統(tǒng)和其他參量要求：
測(cè)量氣體需要知道壓縮系數(shù)值，以求取工作狀態(tài)下的流體密度。成分固定的流體通過壓力、溫度和壓縮系數(shù)計(jì)算密度;成分變動(dòng)的流體和工作于接近(或在)超臨界區(qū)，應(yīng)考慮在線測(cè)量密度。
　
5、測(cè)量精度要求：
需要明確整體的測(cè)量準(zhǔn)確度要求以及是在某一特定流量下使用，還是在某*量范圍內(nèi)因溫度和壓力變化而有顯著的變化，其值一般較低，且各種氣體之間差別較小。智能液體渦輪流量計(jì)的精度等級(jí)常用的等級(jí)是1.0級(jí)和0.5級(jí)，這個(gè)精度等級(jí)比一般的轉(zhuǎn)子類流量計(jì)是高的，對(duì)于精度要求比較高的客戶是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。