切向渦輪流量計是一種速度式流量儀表，它以動量守恒原理為基礎(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，可采用渦輪流量計測量粘度較低的各種液體和氣體的流量。 這種流量計具有測量精度高、量程范圍寬、線性好、脈沖輸出等優(yōu)點 [12,13] 。 

  切向渦輪流量計由渦輪流量傳感器和接收電脈沖信號的顯示儀表組成。 通過 信號檢測放大器將葉輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖，送入二次儀表進行計數(shù)和顯示，實 現(xiàn)對瞬時流量和累積流量的計量。 

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，目前國內(nèi)外主要有 三種，如下圖 2­1 所示。
1．單流束水平流動結(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)過一個噴嘴，沖擊葉輪上部 的葉片表面，推動葉輪旋轉(zhuǎn)。流體經(jīng)過另外一個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)過一個噴嘴，沖擊 葉輪側(cè)面的葉片表面，推動葉輪旋轉(zhuǎn)；隨葉輪旋轉(zhuǎn)，流體在傳感器腔內(nèi)做環(huán)形流 動，進一步推動葉輪旋轉(zhuǎn)；在葉輪另一側(cè)，流體經(jīng)過另外一個與入口噴嘴軸線平 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)旋流切向流動結(jié)構(gòu)，如圖 2­1(d)所示。 流體首先經(jīng)過一個螺桿 1，形成螺旋形流動，再推動葉輪 2 旋轉(zhuǎn)。 在圖 2­1(a)所示單流束水平流動結(jié)構(gòu)的切向渦輪流量傳感器主要用于微流量 測量。其結(jié)構(gòu)主要由儀表殼體、渦輪（葉輪） 、噴嘴、軸和軸承以及信號檢測放 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。殼體的各個幾何參數(shù)圖中均有標注。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， 它起到承受被測流體的壓力， 固定安裝檢測部件，連接管道的作用，殼體內(nèi)裝有葉輪、軸、軸承，殼體外壁安 裝有信號檢測放大器。 
  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， 是傳感器的檢測部件。 它的作用是把流體動能轉(zhuǎn)換成機械能。 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 護罩環(huán)來增加一定數(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，葉輪的動態(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。 
  我國目前一般采用變磁阻式信號檢測放大器， 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械轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號輸出。信號檢 測放大器安裝在渦輪葉片的正上方，流體流過時，沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)。葉片處在 磁鋼的正下方時，磁路的磁阻***小；當(dāng)兩個葉片中間的間隙處在磁鐵的正下 方時，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，送入放大整形電路，變成脈沖信號。 脈沖信號的頻率與管道中流體的流量成正比 [2] 。 
  但是變磁阻式信號檢測放大器有一個缺點，就是當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速很低時，轉(zhuǎn)動不 穩(wěn)定。尤其是小口徑渦輪流量計處于下限流量時，就可以觀察到葉片轉(zhuǎn)動到 磁鋼附近時，會有減速甚至停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這是因   為葉片采用導(dǎo)磁材料制成，磁 鋼對葉片具有吸引力，即磁阻力造成的。 
  為了克服這個缺點，信號檢測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。
  在小流量時，可以消除磁芯吸力對葉輪旋轉(zhuǎn)的影響。

2、切向渦輪流量傳感器的工作原理：
  當(dāng)被測流體通過切向渦輪流量傳感器時，流體通過噴嘴沖擊葉片，流體的沖 擊力對渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使葉輪克服機械摩擦阻力矩和流動阻力矩而轉(zhuǎn)動。實 踐表明，在一定的流量范圍內(nèi)，對于一定的流體介質(zhì)粘度，葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與 通過傳感器腔體的流量成正比。所以，可以通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度來側(cè)量流量。 
  葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度通過變頻調(diào)幅的原理來測量轉(zhuǎn)換的。 將傳感器線圈接在電 容三點式振蕩器的回路中。無測量物體時，回路諧振頻率為  f0 ，輸出電壓為諧 振電壓 U0 。當(dāng)被測物靠近傳感器線圈時，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。信號經(jīng)過檢波電路、濾波電路，從 調(diào)制波中檢出葉輪轉(zhuǎn)動頻率信號，再經(jīng)過信號放大電路、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，送至二次顯示儀表進行累計和顯示。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的頻率 f（次/秒）與流過管道的體積流量 v q （m 3 /s）正相關(guān)時，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： 

在同一時間內(nèi)，傳感器的脈沖數(shù)  N  與流過管道的液體體積  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 ：
  渦輪傳感器的運動微分方程為 re rf rm r T T T T d J  – – – = wdt （2­8） 式中：  J  —— 渦輪的轉(zhuǎn)動慣量； ω  —— 渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度； Tr  —— 流體對渦輪葉片的驅(qū)動力矩； Trm  —— 渦輪軸與軸承之間的機械摩擦阻力矩； Trf  —— 流體對渦輪的粘性摩擦阻力矩； Tre  —— 電磁檢測器對渦輪的電磁阻力矩。 

  由式（2­10）可知，葉輪轉(zhuǎn)速與流量成線性關(guān)系。設(shè)計的流量計即根據(jù)此原 理，葉輪轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪傳動降速后，由計數(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)計數(shù)器示值為  f，齒輪傳動比為  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 K­ v q  特性曲線 
  由圖可見，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，儀表系數(shù)隨 著流量降低而迅速減小。當(dāng)流量超過流量上限時要注意防止空穴現(xiàn)象。傳感器的 儀表系數(shù)由流量標定裝置檢定得出， 它完全不需要知道傳感器內(nèi)部流量的流動機 理，而把傳感器作為一個黑匣子，根據(jù)輸入流量和輸出脈沖信號的頻率確定其轉(zhuǎn) 換系數(shù)，便于實際應(yīng)用。但此儀表系數(shù)是有條件的，其檢驗條件是參考條件，如 果使用時偏離此參考條件，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)計渦輪流量計時，必須在其線性范圍內(nèi)測量，才能保證測量的準 確度。這里所說的線性范圍，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頻率 f 和體積流量 v q  表示。 實際 的 v f q –  曲線如圖 2­7 所示。 

圖 2­-7  渦輪流量計 v f q –  特性曲線 
  理想的 v f q –  曲線應(yīng)是通過坐標原點的一條直線。在實際的流量測量，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。