涡轮流量传感器

定义

涡轮流量传感器是以流体动能驱动叶轮旋转、并根据转速换算流量的测量装置，通常与前置放大器和流量显示或积算仪表配套，构成完整的涡轮流量计^[2]。就工作原理划分，它属于速度式流量仪表，也叫叶轮式流量计，与容积式流量计、科里奥利质量流量计并列为重复性和精确度较高的三类产品^[1]。

按结构划分，涡轮流量传感器可分为轴向型、切向型、机械型、插入型以及井下专用型、广粘度型、自校正双涡轮型等专用形式，其中轴向式应用较为广泛^[3]。仪表可以只做传感器输出脉冲或电流信号，也可以与显示积算部件集成为一体式结构^[2]。

原理

传感器壳体内部装有由轴承支撑的涡轮，叶片与流向成一定角度。流体通过时冲击叶片产生转动力矩，在克服轴承摩擦力矩和流体阻力矩之后，涡轮转速趋于稳定，转速与管道内平均流速近似成正比^[4]。管道截面积固定时，体积流量与平均流速成正比，因此测得转速即可得到流量。为保证流态稳定，涡轮上下游一般设有导流器或整流板，使流体沿轴向均匀进入^[5]。

信号的取出依靠磁电感应。叶片由导磁材料制成，或叶片上装有磁钢，旋转时周期性改变检测线圈的磁阻和磁通量，按电磁感应定律在线圈两端产生交变脉冲电动势^[4]。微弱信号经前置放大器放大、整形为方波后远传至显示仪表或流量计算机^[6]。

在一定的流量范围内，脉冲频率与瞬时体积流量成正比，关系式为 $Q=3600f/K$，其中 $f$ 为脉冲频率，$K$ 为传感器仪表系数，表示单位体积流体产生的脉冲数，由厂家在检定证书中给出^[2]。累积流量则可由一段时间内的脉冲总数除以 $K$ 求得^[4]。

flowchart LR

A[流体流入] --> B[导流器整流]

B --> C[叶轮旋转]

C --> D[叶片切割磁力线]

D --> E[线圈产生脉冲信号]

E --> F[前置放大器放大整形]

F --> G[显示仪表或流量计算机]

G --> H[瞬时流量与累积流量]

发展历程

涡轮流量计的雏形可追溯到 1790 年，由莱因哈德·沃特曼发明，因此早期也被称为沃特曼流量计。另有资料记载，美国在 1886 年公布过相关专利，1914 年的专利已指出流量与频率之间存在对应关系。

美国在 1938 年研制出第一台用于飞机燃油测量的涡轮流量计，二战后喷气发动机对高精度、快速响应流量计的需求，使其进入工业应用阶段。用涡轮流量计测量气体流量可追溯到 1953 年；1963 年罗克韦尔公司推出改进型产品用于天然气工业，1981 年美国气体协会发布相关报告后，该类仪表在天然气计量市场占据重要位置。

20 世纪 70 年代起，欧美在天然气计量中形成孔板流量计与涡轮流量计并用阶段；20 世纪 90 年代中期，涡轮流量计在全球流量仪表销售台数和金额中各占约 9%^[7]。此后技术改进主要集中在信号处理、数据远传和温度压力自动补偿，核心测量原理变化不大^[3]。

应用

涡轮流量传感器大量用于石油、化工、冶金、供水、造纸等行业的封闭管道计量与控制^[8]。在国外液化石油气、成品油和轻质原油的转运站、集输站及长输管线首末站，常被用于贸易结算；在荷兰等国的天然气管线上，气体涡轮流量计用量可观。

在科研实验、国防科技和计量部门，该类仪表多被制成满足特殊要求的专用结构，以发挥其精度高、重复性好以及可适应高温、高压、低温等条件的优势^[1]。测量气体时通常需要引入温度和压力补偿，把工况流量换算为标准状态下的流量^[3]。插入式结构则适用于大口径管道，压力损失较小，可在不停流的情况下拆装^[9]。

局限

该类仪表对介质洁净度要求较高，含纤维、颗粒等杂质的流体可能磨损轴承、干扰叶轮，因此入口常需加装过滤器；高粘度流体会使转速低于理论值，超出适用范围时须进行实液标定后才能使用^[4]。有资料指出，液体粘度超过约 $5\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}$ 时即需要实液标定^[8]。

涡轮存在活动部件，轴承磨损会影响精度和使用寿命，因而在需要长期连续运行的场合受到一定制约^[1]。低流量区间的线性度可能变差，测量脉动流、双向流和湿气体也不适合，安装时还须保证前后直管段长度并远离强电磁场与振动。

仪表系数并非常量，会随口径、介质、粘度、安装条件和长期磨损而变化，使用中需要定期检定或校准。中国现行 JJG 1037-2008《涡轮流量计检定规程》适用于该类仪表的型式评价、首次检定和后续检定^[10]。

参见

• 流量计 —— 测量流体流量仪表的统称，涡轮流量传感器是其中速度式的一类。

• 容积式流量计 —— 与涡轮流量计并列的高精度流量仪表，按计量室排量计数。

• 科里奥利质量流量计 —— 直接测量质量流量的仪表，与涡轮流量计同属精度较高的品类。

• 孔板流量计 —— 基于差压原理的流量仪表，在天然气计量中长期与涡轮流量计并用。

• 仪表系数 —— 表示单位体积流体对应脉冲数的标定参数，是流量换算的关键。

• 电磁流量计 —— 依据法拉第电磁感应定律测量导电液体流量的仪表。