切向渦輪流量計(jì)是一種速度式流量?jī)x表，它以動(dòng)量守恒原理為基礎(chǔ)。流體沖 擊葉輪，使葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速求出 流量值。在工業(yè)上，可采用渦輪流量計(jì)測(cè)量粘度較低的各種液體和氣體的流量。 這種流量計(jì)具有測(cè)量精度高、量程范圍寬、線性好、脈沖輸出等優(yōu)點(diǎn) [12,13] 。 

  切向渦輪流量計(jì)由渦輪流量傳感器和接收電脈沖信號(hào)的顯示儀表組成。 通過(guò) 信號(hào)檢測(cè)放大器將葉輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖，送入二次儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，實(shí) 現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)流量和累積流量的計(jì)量。 

1、切向渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)：
  不同廠家的切向渦輪流量傳感器，其整體結(jié)構(gòu)差異較大，目前國(guó)內(nèi)外主要有 三種，如下圖 2­1 所示。
1．單流束水平流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖 2­1(a)所示。 傳感器的流體入口和出口在同一軸線上。流體經(jīng)過(guò)一個(gè)噴嘴，沖擊葉輪上部 的葉片表面，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。流體經(jīng)過(guò)另外一個(gè)與入口噴嘴在同一軸線上反向安 裝的噴嘴流出傳感器。
2．單流束環(huán)形流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖 2­1(b)、(c)所示。 傳感器流體入口和出口軸線平行或成一定的角度。流體經(jīng)過(guò)一個(gè)噴嘴，沖擊 葉輪側(cè)面的葉片表面，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)；隨葉輪旋轉(zhuǎn)，流體在傳感器腔內(nèi)做環(huán)形流 動(dòng)，進(jìn)一步推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)；在葉輪另一側(cè)，流體經(jīng)過(guò)另外一個(gè)與入口噴嘴軸線平 行或成一定角度反向安裝的噴嘴或管道，流出傳感器。
3．預(yù)旋流切向流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖 2­1(d)所示。 流體首先經(jīng)過(guò)一個(gè)螺桿 1，形成螺旋形流動(dòng)，再推動(dòng)葉輪 2 旋轉(zhuǎn)。 在圖 2­1(a)所示單流束水平流動(dòng)結(jié)構(gòu)的切向渦輪流量傳感器主要用于微流量 測(cè)量。其結(jié)構(gòu)主要由儀表殼體、渦輪（葉輪） 、噴嘴、軸和軸承以及信號(hào)檢測(cè)放 大器等組成。

圖 2-­1  切向渦輪式流量傳感器結(jié)構(gòu)圖 

圖 2-­2  傳感器殼體結(jié)構(gòu)圖
  圖 2­2 為傳感器殼體結(jié)構(gòu)圖，圖中左側(cè)上圖為殼體的俯視圖，左側(cè)下圖為縱 向切面圖，右側(cè)圖則為殼體的透視圖。殼體的各個(gè)幾何參數(shù)圖中均有標(biāo)注。儀表 殼體一般采用不導(dǎo)磁的不銹鋼或硬質(zhì)合金制成， 對(duì)于大口徑傳感器亦可用碳鋼與 不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)。 殼體是傳感器的主體部件， 它起到承受被測(cè)流體的壓力， 固定安裝檢測(cè)部件，連接管道的作用，殼體內(nèi)裝有葉輪、軸、軸承，殼體外壁安 裝有信號(hào)檢測(cè)放大器。 
  圖 2­3 是傳感器葉輪和軸的結(jié)構(gòu)圖，各幾何參數(shù)均標(biāo)定在圖上。葉輪一般由 高導(dǎo)磁性材料制成， 是傳感器的檢測(cè)部件。 它的作用是把流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔 護(hù)罩環(huán)來(lái)增加一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率。葉輪由支架中軸承支承，與殼體同 軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響， 要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)，葉輪的動(dòng)態(tài)平衡很重要，直接影 響儀表的性能和使用壽命。 

圖 2-­3  傳感器的葉輪和軸 
  軸與軸承通常選用不銹鋼或硬質(zhì)合金制作，它支承和保證葉輪自由旋轉(zhuǎn)，需 要有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性，耐腐性等，它決定著傳感器的可靠性和 使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以 及維護(hù)是很重要的。 

圖 2-­4  傳感器的噴嘴
  圖 2­4 為傳感器的噴嘴， 由圖中可知， 噴嘴入口直徑明顯大于噴嘴出口直徑， 這樣可提高液流速度，減小液流與葉片所接觸面積。 
  我國(guó)目前一般采用變磁阻式信號(hào)檢測(cè)放大器， 它由磁鋼、 導(dǎo)磁棒 （鐵芯）、 線圈等組成。它的作用是把渦輪的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)輸出。信號(hào)檢 測(cè)放大器安裝在渦輪葉片的正上方，流體流過(guò)時(shí)，沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)。葉片處在 磁鋼的正下方時(shí)，磁路的磁阻***小；當(dāng)兩個(gè)葉片中間的間隙處在磁鐵的正下 方時(shí)，磁路的磁阻***大。葉輪在流體的沖擊下旋轉(zhuǎn)，不斷地改變磁路的磁阻，使 磁鋼外的線圈中產(chǎn)生變化的感生電勢(shì)，送入放大整形電路，變成脈沖信號(hào)。 脈沖信號(hào)的頻率與管道中流體的流量成正比 [2] 。 
  但是變磁阻式信號(hào)檢測(cè)放大器有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速很低時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)不 穩(wěn)定。尤其是小口徑渦輪流量計(jì)處于下限流量時(shí)，就可以觀察到葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到 磁鋼附近時(shí)，會(huì)有減速甚至停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這是因   為葉片采用導(dǎo)磁材料制成，磁 鋼對(duì)葉片具有吸引力，即磁阻力造成的。 
  為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，信號(hào)檢測(cè)放大器采用電渦流式代替變磁阻式。利用振蕩 器的能量被葉片內(nèi)的電渦流吸收，調(diào)制振蕩器振幅的原理，***終輸出脈沖信號(hào)。
  在小流量時(shí)，可以消除磁芯吸力對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)的影響。

2、切向渦輪流量傳感器的工作原理：
  當(dāng)被測(cè)流體通過(guò)切向渦輪流量傳感器時(shí)，流體通過(guò)噴嘴沖擊葉片，流體的沖 擊力對(duì)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使葉輪克服機(jī)械摩擦阻力矩和流動(dòng)阻力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí) 踐表明，在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)于一定的流體介質(zhì)粘度，葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與 通過(guò)傳感器腔體的流量成正比。所以，可以通過(guò)測(cè)量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度來(lái)側(cè)量流量。 
  葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度通過(guò)變頻調(diào)幅的原理來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)換的。 將傳感器線圈接在電 容三點(diǎn)式振蕩器的回路中。無(wú)測(cè)量物體時(shí)，回路諧振頻率為  f0 ，輸出電壓為諧 振電壓 U0 。當(dāng)被測(cè)物靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感發(fā)生變化，從而引起 振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化， 此時(shí)由傳感器回路組成的振蕩電路輸出電壓波形不 但頻率發(fā)生了變化，而且幅值也發(fā)生了變化。信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波電路、濾波電路，從 調(diào)制波中檢出葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路、電壓比較器、射極跟隨 器得到和葉片旋轉(zhuǎn)頻率相同的脈沖信號(hào)，送至二次顯示儀表進(jìn)行累計(jì)和顯示。輸 出電脈沖與葉輪轉(zhuǎn)速成正比，葉輪轉(zhuǎn)速與流量正相關(guān)，所以輸出電脈沖頻率與流過(guò)傳感器的流量正相關(guān)。 切向渦輪流量傳感器的電脈沖信號(hào)的頻率 f（次/秒）與流過(guò)管道的體積流量 v q （m 3 /s）正相關(guān)時(shí)，其比例系數(shù)即為傳感器的儀表系數(shù) K（1/m 3 ），如式（2­1） 所示： 

在同一時(shí)間內(nèi)，傳感器的脈沖數(shù)  N  與流過(guò)管道的液體體積  V（m 3 ）也成正 相關(guān)，其比例系統(tǒng)也為傳感器的儀表系數(shù) K（1/m 3 ），如式（2­3）所示： 

圖 2-­5  切向渦輪流量傳感器的工作原理 1－噴嘴；2－渦輪；3－電感 

3、切向渦輪流量傳感器的儀表系數(shù) K ：
  渦輪傳感器的運(yùn)動(dòng)微分方程為 re rf rm r T T T T d J  – – – = wdt （2­8） 式中：  J  —— 渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ω  —— 渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度； Tr  —— 流體對(duì)渦輪葉片的驅(qū)動(dòng)力矩； Trm  —— 渦輪軸與軸承之間的機(jī)械摩擦阻力矩； Trf  —— 流體對(duì)渦輪的粘性摩擦阻力矩； Tre  —— 電磁檢測(cè)器對(duì)渦輪的電磁阻力矩。 

  由式（2­10）可知，葉輪轉(zhuǎn)速與流量成線性關(guān)系。設(shè)計(jì)的流量計(jì)即根據(jù)此原 理，葉輪轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪傳動(dòng)降速后，由計(jì)數(shù)器累加并顯示，以表示累積流量。其示 值與流量成正比。 
  設(shè)計(jì)數(shù)器示值為  f，齒輪傳動(dòng)比為  i，葉輪轉(zhuǎn)速為  n，則  f  與ω的關(guān)系為 π 2 i  ni fw = =

4、切向渦輪流量傳感器的特性分析：

圖 2-­6  渦輪流量計(jì) K­ v q  特性曲線 
  由圖可見(jiàn)，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段 [2] 。線性段約為其工 作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘度有關(guān)。在非線性段，特性 受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器下限時(shí)，儀表系數(shù)隨 著流量降低而迅速減小。當(dāng)流量超過(guò)流量上限時(shí)要注意防止空穴現(xiàn)象。傳感器的 儀表系數(shù)由流量標(biāo)定裝置檢定得出， 它完全不需要知道傳感器內(nèi)部流量的流動(dòng)機(jī) 理，而把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸入流量和輸出脈沖信號(hào)的頻率確定其轉(zhuǎn) 換系數(shù)，便于實(shí)際應(yīng)用。但此儀表系數(shù)是有條件的，其檢驗(yàn)條件是參考條件，如 果使用時(shí)偏離此參考條件，系數(shù)將發(fā)生變化，變化的條件將視傳感器的類型，管 道的安裝條件和流體的物性參數(shù)等情況而定。 
  因此，在設(shè)計(jì)渦輪流量計(jì)時(shí)，必須在其線性范圍內(nèi)測(cè)量，才能保證測(cè)量的準(zhǔn) 確度。這里所說(shuō)的線性范圍，一般指儀表系數(shù)的變化值在±1％的范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的 流量范圍。 
2．頻率特性：
  渦輪流量傳感器的頻率特性曲線用輸出信號(hào)頻率 f 和體積流量 v q  表示。 實(shí)際 的 v f q –  曲線如圖 2­7 所示。 

圖 2­-7  渦輪流量計(jì) v f q –  特性曲線 
  理想的 v f q –  曲線應(yīng)是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線。在實(shí)際的流量測(cè)量，儀表 系數(shù) K 隨流量大小的變化而有所變化，所以 v  q f –  曲線偏離了理想曲線。