一、概述

气体的密度远小于液体的密度，因此在结构上与液体涡轮流量计有显著差别，且气体的密度受温度、压力的变化影响较大。因此进行气体体积流量测量时，多采用带温度、压力补偿功能的气体涡轮流量计，以达到准确测量气体介质的目的。这种涡轮流量计在测量体积流量的同时，必须跟踪检测气体介质的温度和压力，并将不同工况条件下的气体体积流量换算成标准状态下（ρ=101.325kPa， T=273.15K）的体积流量。这种温度、压力补偿气体涡轮流量计的典型结构如图1.10所示。

 

气体涡轮流量计可采用电磁感应原理将涡轮转速转换为与流体体积流量成正比的脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输入运算器，与温度、压力信号一起进行运算处理，运算器按照气体状态方程进行运算，其结果可以就地显示或用多种信号形式远传。

气体状态方程可写为

Pa——当地大气压， kPa；

P_E——流量计压力检测点的表压力， kPa；

P₀——标准大气压（101.325kPa） ；

T₀——标准状态下的绝对温度（273.15K）；

T——被测介质绝对温度（273.15十 t ） K；

t ——被测介质温度， ⁰C；

   —— 气体压缩因子（对于天然气压缩因子，可按中国石油天然气总公司ST/T6143——1996标准计算）；

Zn —— 标准状态下的气体压缩系数；

Zg —— 工作状态下的气体压缩系数。

如采用各类单片机技术和微功耗技术作为运算器，则除了温度、压力补偿外，还可以有报警、自诊断、信号远传等多种功能，做到功能强、运算精确度高、结构紧凑、抗干扰能力强、测量范围宽、重复性好。气体涡轮流量计可广泛应用于单相气体（包括压缩气体）标准体积总量的计量，是石油、化工、电力、冶金以及城市燃气管网等行业气体计量的理想仪表。

二、气体涡轮流量计的设计

气体涡轮流量计的结构设计是在通用涡轮流量计的基础上增加相应的传感器组件和微处理器构成的，主要由流量积算仪、温度传感器组件、压力传感器组件、涡轮流量传感器四大部分组成。

（一）涡轮流量传感器设计

涡轮流量传感器由表体、整流器、涡轮、轴、轴承及信号检测器组成。

（1）表体   表体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力、固定安装检测部件、连接管道的作用。表体采用不导磁的不锈钢或硬铝合金制造。表体从外壁装入温度、压力等信号检测器。测压孔取位于整流器距离进口1/2~2/3的位置，直径不得大于3mm；测温孔取位于涡轮定位座后2D以内。

（2）整流器   在传感器的进口安装整流器，它对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用。整流器的设计目的是调整气流的速度分布剖面。整流器导流体的外径设计同涡轮轮壳外径。为了使流体的分布均匀，要将整流器设计成轴对称结构。材质要求选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。

（3）涡轮    涡轮亦称叶轮，是传感器的检测元件，它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，也可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率。叶轮由支架中轴承支撑，与表体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计。叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表性能和使用寿命。叶轮是变送器的敏感元件，也是关键元件，所以叶轮的设计将直接影响到变送器的性能好坏。由于仪表常数 k 是叶片安装角β、顶隙 Δr 、叶栅重叠度以及流通截面的函数，所以选择理想的叶轮结构参数是很重要的。

（4）轴与轴承    轴与轴承支撑叶轮旋转，需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等，它决定着传感器的可靠性和使用期限。流量传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。同时，轴承阻力矩的大小影响流量计的计量性能，为了提高计量的精确度，得到好的小流量特性，对轴、轴承的设计原则是使轴承阻力矩尽可能小。

（二） 流量积算仪设计

1.流量积算仪的工作原理

流量积算仪是多功能电子式气体体积校正仪。它接收流量脉冲信号，与高精确度温度、压力传感器配接，可完成采集温度、压力、流量脉冲信号，计算、记录标准工况 （ ρ=101.325kPa， T=273.15K。根据用户要求可取 T =273.15K ） 和实际工况下的瞬时及累积流量，记录压力、温度及状态参数，并对部分状态进行报警。

主要功能如下。

①采集流量计的实测体积信号。

②测量气体温度和压力。

③分别计算、显示、记录工况和标况瞬时流量，实时数据更新。

④根据用气单位、供气单位等不同用户情况，赋予不同的用户权限，允许用户根据实际情况变更数据，这样利于用户用气管理。

⑤信息显示。

⑥报警信号管理。

⑦数据库管理定时记录累计体积、压力、温度等。

⑧具备脉冲、模拟、RS-485多种输出信号方式。

⑨低功耗设计，内电源、外供电两种供电方式结合，正常工作条件下，一般要求5年内无需更换电池。

流量积算仪由温度、压力检测模拟通道，流量检测数字通道，以及微处理单元、液晶驱动电路和其他辅助电路组成，并配有外输出信号接口，其工作原理如图1.11所示。从各传感器送来的多路信号经转换处理后，由微处理器按照气体状态方程代入公式运算，实现就地显示和多种信号远传。

 

 

2、流量积算仪设计步骤

流量积算仪的设计包括数据采集、数据处理和数据转换兰大部分。下面是各部分电路设计的实例。

（1） 温度采集电路设计为了保证采集到的温度信号的脉冲波形不产生失真，以至于影响对温度的监测，可以为温度传感器设计各种桥式滤波电路。该电桥电路首先对采集到的信号进行稳压，随后利用脉冲分压器的补偿电容对信号进行补偿，使输出脉冲电压幅值变得平稳，并确保波形不产生失真。基本电路如图1.12所示。

（2） 压力采集电路设计    压力采集电路同温度采集电路一样，是为了保证采集到的电信号平稳，并能保持原采集信号的波形，因此该电路的设计思路同温度采集电路的设计思路相同。由于考虑到采集到的压力信号的变化幅度较大，为了确保压力信号能够平稳，其稳压电路可设计为全波桥式整流电路，基本电路如图1.13所示。

（3）流量脉冲采集保护电路设计由于流量脉冲信号易于受到外界电磁场的干扰而影响 对信号的检测结果，因此为了防止外界电磁场的干扰，应该为脉冲输入信号设计保护电路。保护电路的设计可以根据具体选定的流量信号传感器的类别采取相应的设计。

（4）流量脉冲输出电路及脉冲输出报警电路的设计流量输出不仅存在传输干扰，而且 外部控制信号有可能反向产生干扰信号。为了避免干扰影响流量测量结果，且能够在电池电量不足、掉电等情况下，提醒工作人员更换电池，设计报警电路在上述情况下进行报警，并要求控制器自动存储该时刻的标准状态下的瞬时流量、累加流量、温度、压力及工况下的累加流量、掉电时刻的时间，以便人工进行补偿计算。流量脉冲输出电路和报警电路设计采用光电隔离技术进行保护，具体电路设计如图1.14所示。

该电路首先将采集到的流量脉冲信号通过简单的共发射极放大电路进行放大，然后将放大的电信号经过光电耦合器进行转换，并利用复合滤波电路对转换的信号进行整形输出，这样就可获得比较平滑的电信号。

（5）通信接口电路设计采集到的流量信号及处理后的计量数据通过 RS-485 或 RS-232 可以进行远程传输，以便进行远程数据管理和控制。对于总线通信接口，选用 MAX485 或 MAX232 。硬件设计要同时包括有 MAX485 和 MAX232，对于在信息传输时用哪一个接口是通过软件实现的。其具体电路设计如图 1. 15 所示。