摘要:我國天然氣資源豐富，智能氣體渦輪流量計一直是作為天燃?xì)赓Q(mào)易計量的首選。本文論述氣體渦輪流量計的機械結(jié)構(gòu)上的幾點優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化了氣體渦輪流量計的曲線，捉高了氣體渦輪流量計的可靠。
1前言
國際上,天然氣的計量都是使用氣體渦輪流量計，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。我國天然氣資源非常豐富，為減少煤氣對城市大氣和環(huán)境的污染和破壞。我國長期規(guī)劃要限制并減少人工煤氣的使用，增加城市管道用氣中天然*氣所占的比重,我國目前已經(jīng)完成了“陜氣進(jìn)京”、“西氣東輸”等工程，現(xiàn)如今天然氣在我國已經(jīng)大面積普及，大然氣計量儀表將大量使用，我國天然氣資源大規(guī)模的開發(fā)利用使氣體渦輪流量計獲得廣闊的發(fā)展空間和經(jīng)濟效益。開發(fā)氣體渦輪流量計具有重要的經(jīng)濟價值和社會價值。筆者單位研發(fā)的智能氣體渦輪流量計是一種速度式流量計，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器制作、潤滑系統(tǒng)的設(shè)計等方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)讓,是集溫度、壓小流量傳感器和智能流量積算儀于一體的智能儀表。它具有精度高、技術(shù)成熟穩(wěn)定、重復(fù)性好等優(yōu)點，是檢測氣體計量和城市燃?xì)赓Q(mào)易計量的理想儀表。
2.工作原理
智能氣體渦輪流量計通過測量渦輪的轉(zhuǎn)速從而計算氣體的流速，將渦輪轉(zhuǎn)速換算成與流量成正比的輸出電信號。智能氣體渦輪流量計檢測天然氣瞬時流量和總的積算流量,終端輸出信號為頻率，容易被數(shù)字化。永久磁鐵、感應(yīng)線圈都固定在儀表殼體上。當(dāng)鐵磁性渦輪葉片旋轉(zhuǎn)時經(jīng)過磁鐵磁場時，磁阻產(chǎn)生變化，輸出感應(yīng)信號。信號在經(jīng)過放大器被放大及整形，傳輸給頻率計或計數(shù)器，得到總.的積算流量。與此同時，將脈沖信號通過轉(zhuǎn)換器(頻率一電壓)換算成瞬時流量。總之,葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)和氣體流量成正比。智能氣體渦輪流量計的輸出的是頻率調(diào)制式信號,提高了檢測電路的抗干擾性和簡化了流量檢測系統(tǒng)，其外形圖如圖1所示。
3動壓氣體軸承
氣體渦輪流量計中用來支撐葉輪的主軸承通常是油潤滑的滾動軸承或滑動軸承，有很多缺點。使用一款螺旋槽氣體軸承,得到的氣體渦輪流量計性能好，耐用。
氣體潤滑的優(yōu)點是氣體潤滑相對油潤滑其粘度小對溫度的適應(yīng)性好、清潔無污染、壽命長。
(1)粘性小
相對于油潤滑來講氣體潤滑在5~15℃環(huán)境下粘度約為油潤滑的千分之一，氣體潤滑的摩擦力為油潤滑的千分之一;溫度在20C以上時上升至80℃其年度只增加16%，比相同條件下油潤滑好很多;而且氣體有均勻化作用，從而用氣膜潤滑的軸承精度比油膜潤滑的軸承精度高1個數(shù)量級。
(2)適應(yīng)性良好
油潤滑軸承在溫度非常高或者非常低的情況下就不工作了,而氣體潤滑的軸承即使在高低溫時，工作性能佳,而且氣體潤滑不受原子輻射的影響;由于空氣有獨留,高溫對其影響非常小。
(3)環(huán)保清潔
氣體完成潤滑作用排放后，不會污染環(huán)境;而且在排氣時還能阻止灰塵進(jìn)入儀表,起到清潔的作用，氣體潤滑無振動、無噪音。
(4)壽命長
氣體軸承在使用時，沒有金屬結(jié)構(gòu)直接接觸，所以壽命更長。
動壓氣體軸承設(shè)計有螺旋槽，在高速下承載能力大時，能耗低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點,設(shè)計最大穩(wěn)定性優(yōu)化的螺旋槽氣壓軸承，儀表穩(wěn)定性非常好,而其承載能力最多損失77%,因此本文選用按最大穩(wěn)定性原則設(shè)計。
根據(jù)窄槽設(shè)計原理,應(yīng)用最大穩(wěn)定性原則:當(dāng).氣體渦輪流量計轉(zhuǎn)速在4500r/min以上時，其最大穩(wěn)定載荷會5N左右，所以正常工作速度比較大的氣體渦輪流量計的主軸承完全可以用螺旋槽氣壓潤滑軸承。
4導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
導(dǎo)流器對被測流體起導(dǎo)向、壓縮、整流等作用，這樣當(dāng)氣體通過渦輪流量計時處于層流狀態(tài)下，減少旋渦和紊流生成的漩渦對流量計的影響，提高儀表正確率。前導(dǎo)流器的前側(cè)，設(shè)計又一-圈的分布在圓周的整流葉片，將氣體通道分隔，變成幾個小的通道。如圖2所示，這時也輪出口的流體流動穩(wěn)定，防止漩渦;在整流葉片的出口處尾端和葉輪中間環(huán)狀區(qū)域是環(huán)狀區(qū)域，稱為混合室。
經(jīng)過試驗設(shè)計了導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化了氣體渦輪流量計的特性曲線。結(jié)論是長葉片的重復(fù)性、線性度、壓力損失都不好，而且在流量增.加是，短葉片在壓力損失方面的優(yōu)越性體現(xiàn)的更加明顯。導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
5多參數(shù)傳感器
氣體渦輪流量計所采用的磁敏傳感器是基于硅橋和鐵磁體的新型MEMS磁敏傳感器，根據(jù)鐵磁體在磁場中產(chǎn)生的扭矩和硅橋的耦合作來反映磁場。這種磁敏傳感器和IC.工藝的兼容性非常好、適合成批量生產(chǎn)，體積小、成本低、功耗低、穩(wěn)定性好。新型MRE磁敏傳感器的靈敏度可以通過調(diào)節(jié)MRE中鐵磁顆粒的大小、種類及彈性體的種類來改進(jìn)。
渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時可通過磁敏傳感器切割磁力線產(chǎn)生電荷信號,再經(jīng)過整形放大,聲稱脈沖星新號,通過計算機計算這些脈沖數(shù)，可以換算出通過氣體渦輪流量計的流體的體積流量,同時結(jié)構(gòu)設(shè)計上將磁敏和Pt100封裝在1個不銹鋼殼體內(nèi)，如圖4所示。
其技術(shù)性能指標(biāo)如下:
(1)流量范圍:6~6500m³/h,整機精度:1級;
(2)壓力范圍:1.6、2.5、4.0MPa,特殊可定做:
(3)溫度范圍:-20-80℃。
(4)重復(fù)性:優(yōu)于±0.1%
6結(jié)束語.
通過對氣體渦輪流量計測量芯、動壓氣體軸承、導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)、多參數(shù)傳感器的優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化了氣體渦輪輪流流量計的特性曲線，提高儀表的穩(wěn)定性和正確率，延長儀表的壽命。
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