专利名称：一种液体涡轮流量计及其流量计量方法
技术领域：
本发明涉及一种液体流量计及其流量计量方法，尤其涉及一种液体涡轮流 量计及其流量计量方法。
背景技术：
目前石油化工系统常用的流量计主要是容积式流量计和速度式流量计。 容积式流量计测量高粘度的流体时，具有较高的测量精度。其工作原理是 将流过管路中的流量，以具有标准容积的计量空间连续不断的进行测量，根据 该标准容积的容积值和连续测量的累积次数，得到通过该流量计的累积流量。 容积式流量计测量体积流量时，不受流体密度和粘度的影响，对流动状态和速 度分布无特殊要求。但是它对流体的洁净度要求较高，由于它是用具有标准体 积的计量空间来测量流量的，因此体积比较庞大，不适用于大流量下的液体计 量。
常用的速度式流量计有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流 量计等。涡轮流量计是利用流体流动推动叶轮旋转，流体的流速与叶轮的旋转 角速度成正比，通过测量叶轮的旋转角速度，就可得到流体的流速，从而得到 管道内流量。它具有体积小、重量轻、量程比宽、适应性能强的特点。但现有 的涡轮流量计，整流体与流量计分体设置不能达到良好的稳流效果，并且现有 的涡轮流量计没有充分考虑客观因素的影响，因而，流量计量不够准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种液体涡轮流量计及其流量计量方 法，整流器与流量计本体集成一体结构，改变传统整流器与流量计分离的方式， 并且设置实时温度补偿及多段非线性修正，使流量计量更精确。
为了实现上述目的，本发明提供了一种液体涡轮流量计，其特征在于，包
括流量计本体，具有液体入口、液体出口及检出接口；
整流器，设置在所述流量计本体内，包括多根细管，所述整流器具有液体 入口端及液体出口端，所述整流器的液体入口端位于所述流量计本体的液体入
口处；
涡轮流量计，固定设置在所述流量计本体内并与所述整流器液体出口端相 对，所述涡轮流量计包括涡轮、传感器，所述传感器与所述检出接口相对设置， 所述传感器包括脉冲传感器和温度传感器；
流量积算仪，设置在所述流量计本体外的所述检出器接口上并连接所述传 感器，接收传感器采集的信号，所述流量积算仪又包括
流量运算单元，接收所述脉冲传感器的脉冲信号并运算处理；
温度补偿单元，接收所述温度传感器的温度信号并实时补偿由于温度引起 的变化量；
显示装置，连接所述流量积算仪并显示监测的或运算的结果数据； 供电部，连接所述流量积算仪。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述温度补偿单元又包括用于直接监测 所述液体温度的监测模块，以及用于根据不同液体温度体积系数实时在线温度 补偿的温度补偿模块。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述流量积算仪还包括信息传输单元，所 述信息传输单元又包括脉冲信号输出端口、 4 20mA模拟信号输出端口以及 RS-485通讯端口。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述流量积算仪为TMCS-90S-D型系列 微功耗集成芯片。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述流量积算仪还包括多段非线性修正单 元，用于修正所述涡轮流量计的误差。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述涡轮的转子上设有6片螺旋叶片，叶 片倾角为35。，叶片重叠度为0.7 1.1之间。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述整流器设置的多根细管为不锈钢管， 其数量为19、 21、 35或42中之一。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述供电部包括内置3.6V锂电池及外接 电源DC12 24V变压器。上述的液体涡轮流量计，其中，所述流量计本体的顶部倾斜安装有保护罩， 所述流量积算仪、所述供电部固定设置在所述保护罩内，所述显示装置设置在 所述保护罩上。
上述的液体涡轮流量计，其中，所述流量计本体为圆柱形壳体，两端口处 分别设置有外连接槽，所述流量计本体底部设置有支脚，顶部设置有提手。
为了实现上述目的，本发明还提供一种应用于上述的液体涡轮流量计的流 量计量方法，其特征在于，包括步骤
步骤100，输送的液体经所述整流器整流、所述整流体压縮再经过所述涡 轮流量计监测后输出；
步骤110,所述涡轮流量计上的脉冲传感器将液体经过产生的脉冲信号传 送至所述积算仪微处理器；
步骤120，所述积算仪微处理器将接收到的脉冲信号经放大、A/D转换、 计数后得出一初级流量信号；
步骤130，所述温度传感器将采集的温度信号传送至所述积算仪处理器；
步骤140，所述积算仪处理器将接收的温度信号经放大、A/D转换，选取 不同的温度补偿模型，对所述初级流量信号进行修正得到二级流量信号；
步骤160，输出及储存流量信号。
上述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其中，所述步骤140之后还包括 步骤150，对所述二级流量信号进行流量所在范围区间的区间判断，选取不同 的流量仪表系数进行二次修正。
上述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其中，所述温度补偿模型包括 柴油、喷气燃油以及汽油的温度补偿模型，所述温度补偿以2(TC为基准进行 换算，计算公式为K。-，-/(卜20)]
式中，K。为油品20'C体积；为油品t'C体积； /:为油品温度体积系数；"为输油实际温度。
上述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其中，所述流量仪表系数用公式 表示为《=/^v
式^,《为比例系数称为流量计的仪表系数； /:为涡轮流量计的脉冲频率； 《"为通过流量计的流量。上述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其中，还包括步骤170，显示/
输出运算的结果或即时监测的结果数据。
本发明的技术效果在于本发明液体涡轮流量计适应温度范围比较宽，用 于轻质油品的计量，整流器与流量计本体集成一体结构，改变了现有整流器与 流量计分离的方式，结构紧凑、性能可靠，体积小、重量轻，使用十分方便， 解决了输送油品时复杂流态下准确计量的问题。通过充分考虑了液体的体积温 度变化规律和粘性对仪表系数的影响因素，建立了不同油品的温度补偿模型， 确定了温度补偿系数和多段非线性修正方法，保证了流量计计量的一致性和准 确性。进入流量计的液体，整流器对流态进行平整，有效防止了流量波动对流 量计的冲击。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的 限定。
图l为本发明结构图； 图2为图1的侧视图3a为整流器第一种实施方式结构示意图； 图3b为整流器第二种实施方式结构示意图； 图3c为整流器第三种实施方式结构示意图； 图3d为整流器第四种实施方式结构示意图4为本发明涡轮流量iH卜工fP流程图。
其中，附图标记
1 流量计本体2整流器
21整流器细管3大隔套
4 左支承5长轴
6 前隔套7涡轮
71涡轮叶片8中隔套
9 智能积算仪10检出接口
11 右支承12支承架
13轴承14传感器15外连接槽 16保护罩
17显示器 18支脚
19提手 20表头固定套
A 液体入口 B液体出口
C 信号输出及储存
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述 请参阅图l、图2本发明的结构图。
如图所示的本发明的具体实施方式
，本发明揭示一种液体涡轮流量计，包
括流量计本体l、整流器2、涡轮流量计、流量积算仪9、显示装置17以及
供电部。
如图1所示，流量计本体l，具有液体入口A、液体出口B及检出器接口 10;整流器2，包括设置在流量计本体内的多根细管21，整流器2具有液体入 口端及液体出口端，整流器的液体入口端位于流量计本体的液体入口 A处。 涡轮流量计，固定设置在流量计本体内且相对于整流器液体出口端，涡轮流量 计包括涡轮7、传感器14，传感器14对应检出接口 10设置，传感器14又包 括脉冲传感器和温度传感器。流量积算仪9，设置在流量计本体外的检出器接 口 10上，并连接传感器14，接收传感器14采集的信号，流量积算仪9采用 TMCS-90S-D型系列微功耗集成芯片，该微功耗集成芯片中包括流量运算单 元、温度补偿单元及多段非线性修正单元，温度补偿单元又包括，用于直接监 测液体温度的监测模块，以及用于根据不同液体温度体积系数实时在线温度补 偿的温度补偿模块。显示器17连接流量积算仪9用于显示监测的或运算的结 果数据。
涡轮7的固定方式为，将左右支承4、 11分别通过多爪的支承架12固定 于流量计本体1的内壁，将一长轴5的两端分别固定于左支承4与右支承11 上，涡轮7通过一对轴承13套装于长轴5上，左右轴承之间设置有中隔套8， 左轴承13的前端与左支承4之间还设置有前隔套6。
整流器2与左支承4之间的流量计本体内壁上还设置有大隔套3。 液体经过整流器2的多根细管整流，再经过左支承4的支承架均匀的作用在叶轮上。
流量计转子部分采用滚动结构，涡轮7与长轴5之间设置滚动轴承13， 当液体推动涡轮叶片71旋转时，会带动涡轮7和滚动轴承13的外套旋转，滚 动轴承13的滚珠也转动，而滚动轴承13的内套静止，从而保证长轴5不转动, 达到小摩擦的效果。
当液体流经传感器时，在整流器导流体作用下得到整流并加速。由于涡轮 叶片与液体流向成一定角度，在加速流体作用下，叶轮产生转动力矩，克服摩 擦力矩和流体阻力矩后，涡轮开始旋转，在一定流量范围内，涡轮转速与流体 体积流量成正比，叶轮旋转切割磁力线，周期地改变线圈中的磁通量，使线圈 两端感应出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 送入微功耗集成芯片的流量运算单元进行运算处理，并显示于显示器17上。
温度补偿单元，接收传感器的温度信号并实时补偿由于温度引起的变化 量。流体的体积随温度的变化而变化， 一般来说，温度升高，体积膨胀。流体 的这种属性称为热膨胀性，用热膨胀率表示。不同流体具有不同的膨胀率。
涡轮流量计的温度传感器采用高精度的Pt1000热电偶，可精确测量输送 液体的温度。根据测得的温度可连续进行(每间隔4s)温度补偿。
输油管线系统输油的流体主要有汽油、喷气燃料和柴油三种。当输送不同 流体时应采用不同的体积温度系数。
对于汽油，当密度为0.710-0.730时，温度体积系数为0.00123-0.00115。 计算时可取平均值0.00119。
对于喷气燃料，当密度为0.775-0.790时，温度体积系数为 0.00099-0.00095，计算时可取平均值0.00097。
对于柴油，当密度为0.800-0.830时，温度体积系数为0.00089-0.00084。 计算时可取平均值0.000865 。
以2(TC为基准进行换算，计算公式:^。 = ^"Z(卜20)]
下面通过示例，计算不同液体当温度每升高rc时的体积变化率。
对于柴油，当密度为0.83时，温度体积系数为0.00084 ， H /(卜20)
F2。 1_/("2^，当温度升高TC时，体积变化率为0.84%。，若温度变化 l(TC的话，将会引起0.84%的计量误差。对于喷气燃料，当密度为0.780时，温度体积系数为0.00098， H /(卜20)
「2。 1-/(卜20)，当温度升高rc时，体积变化率为0.981%。，若温度变化 l(TC的话，将会引起0.981%的计量误差。
对于汽油，当密度为0.710时，温度体积系数为0.00123 ， ^。 — /(卜20)
「2。
— 1-/(卜20)，当温度升高i'c时，体积变化率为1.232%。，若温度变化
l(TC的话，将会引起1.232%的计量误差。
从计算结果可看出，当输送汽油时，温度对体积的影响很大，当温度变化 l(TC时，会引起1.232%的计量误差，而一般流量计的计量精确都可达到0.5%， 现有的液体涡轮流量计，只从提高仪表的精度出发，而不考虑被测液体温度的' 变化因而得到的测量结果不准确，不能满足计量交接的要求。本发明温度补偿 的目的就是将实测油品的流量值转换成可代计量交接的标准温度条件(以20 'C为基准)下的流量值。具体来说，就是在微功耗集成芯片中内置了汽油、喷 气燃料和柴油的体积膨胀率，通过设置的切换开关，可对输送不同油品时进行 温度补偿。
本发明采用的微功耗集成芯片中采用了多段非线性修正，涡轮流量计属于 速度式流量计，在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角 度与液体的流速成正比。涡轮流量计输出的脉冲频率与通过流量计的流量成正 比，其比例系数K称为流量计的仪表系数，用公式表示为A>//《v。式^,/为 涡轮流量计的脉冲频率，^为通过流量计的流量。本发明流量积算仪对非检定 点的仪表系数进行插值运算，运算时对不同工况下采用不同的仪表系数，提高 了计量的准确性。
流量积算仪还包括信息传输单元，实现信息传输功能，信息传输单元包括 脉冲信号输出端口 、 4 20mA模拟信号输出端口以及RS-485通讯端口 。
供电部，可以采用内置的3.6V锂电池或者通过外接电源DC12 24V变压 器连接外部电源。
如图1、图2所示，流量计本体1的顶部倾斜安装有保护罩16，流量积算 仪通过表头固定套20固定于保护罩16及检出接口 10上，供电部固定设置在 保护罩16内，显示装置17设置在保护罩16上。流量计本体1为圆柱形壳体，两端口处分别设置有外连接槽15，以便连 接被测液体的进入及输出管线，当用于连接被测液体的进入及输出的管线为承
插式系统时，只需将流量计本体1两端口处的外连接槽15分别连接一转换承 插接头即可，流量计本体1的底部设置有支脚18，顶部设置有提手19。
本发明的外形尺寸(长X宽X高)mm: 600X220X380
重量kg: 38
PI径mm: 150
额定压力MPa: 4.0。
请参阅图2，如图所示，本发明的涡轮7由导磁不锈钢材料制成，装有螺 旋叶片71，叶片数为6片，叶片倾角为35。，叶片重叠度为0.7 1.1之间。
请参阅图3a、图3b、图3c及图3d为本发明整流器的不同实施方式结构 示意图。
涡轮流量计特性与管线系统的速度分布有很大的关系，因此保障进入流量 计的流体具有均匀的速度分布，是提高计量准确性的一个重要前提条件。本发 明提供的液体涡轮流量计内置了由多根不锈钢细管组成的整流器。 第一种实施方式，采用35根不锈钢细管为一束的整流器。 第二种实施方式，采用21根不锈钢细管为一束的整流器。 第三种实施方式，采用19根不锈钢细管为一束的整流器。 第四种实施方式，采用42根不锈钢细管为一束的整流器。 其中，以第四种实施方式为最佳，其整流束的长度为100mm;整流束细 管的内直径d^6mm，整流器外径D=150 mm。
综上所述，本发明提供的液体涡轮流量计具有如下特点-
(1) 整流器与流量计本体集成一体结构，改变了现有整流器与流量计分 离的方式，结构紧凑、性能可靠，体积小、重量轻，使用十分方便，解决了输 送油品时复杂流态下准确计量的问题。
(2) 整流器内部设置管状整流束，消除了管线内流速分布不均和管线内 二次流对流量计量精度的影响，保证了计量的准确度。
(3) 流量计转子部分采用滚动结构，减小了部件旋转时的能量损失，解 决了小流量工况下液力不足引起的部件运转不平稳的问题，扩大了流量计的量 程范围，有利于保证计量的精度和重复性。(4) 通过充分考虑了液体的体积温度变化规律和粘性对仪表系数的影响 因素，建立了不同油品的温度补偿模型，确定了温度补偿系数和多段非线性修 正方法，保证了流量计计量的一致性和准确性。
(5) 智能流量积算仪和温度补偿单元，可根据不同液体温度体积系数， 实时在线温度补偿，又可直接监测输送液体的温度。
请参阅图4本发明涡轮流量计工作流程图。
本发明还揭示一种应用上述的液体涡轮流量计的流量计量方法，包括步
骤
步骤100，从液体入口 A输送的液体经所述整流器整流、所述整流体压縮
再经过所述涡轮流量计监测后从液体出口 B输出；
步骤110，所述涡轮流量计上的脉冲传感器将液体经过产生的脉冲信号传 送至所述积算仪微处理器；
步骤120，所述积算仪微处理器将接收到的脉冲信号经放大、A/D转换、 计数后得出一初级流量信号；
步骤130,所述温度传感器将采集的温度信号传送至所述积算仪处理器；
步骤140，所述积算仪处理器将接收的温度信号经放大、A/D转换，选取 不同的温度补偿模型，对所述初级流量信号进行修正得到二级流量信号；
步骤150，对所述二级流量信号进行流量所在范围区间的区间判断，选取 不同的流量仪表系数进行二次修正。
步骤160，输出及储存流量信号C;
步骤no，显示/输出运算的结果或即时监测的结果数据。
如前所述，温度补偿模型包括柴油、喷气燃油以及汽油的温度补偿模型， 温度补偿以20'C为基准进行换算，计算公式为^-^[1-/(卜M)3
式中，
K。为油品20'C体积；F':为油品t'C体积； /:为油品温度体积系数；^为输油实际温度。
流量仪表系数用公式表示为《=//仏， 式A
《为比例系数称为流量计的仪表系数； /:为涡轮流量计的脉冲频率；《v:为通过流量计的流量。 综上所述，本发明揭示的计量方法是将管线输送时的轻质燃油，通过整流 束管顺展为稳态流，经前整流体压縮并提高动能后，均匀推动多片叶轮，带有 角度的叶轮将流速转化为正比例转速，轻质燃油经后支撑流出流量计。正比例 流速的旋转叶轮切割传感器磁力线，产生的脉冲信号进入积算仪微处理器处 理，经放大、A/D转换、计数，得出一初级流量信号；温度传感器测量的温度 信号经放大、A/D转换，选用不同的温度补偿模型，对初级流量信号进行修正， 得出二级流量信号；利用多段非线性修正方法，对流量信号区间进行判断，选
取不同的流量仪表系数，进行二次修正，得出最终的流量信号。
流量信号有三种输出方式脉冲输出、RS485输出、4-20mA输出。
本发明液体涡轮流量计适应温度范围比较宽，用于轻质油品的计量，整流 器与流量计本体集成一体结构，改变了现有整流器与流量计分离的方式，结构 紧凑、性能可靠，体积小、重量轻，使用十分方便，解决了输送油品时复杂流 态下准确计量的问题。通过充分考虑了液体的体积温度变化规律和粘性对仪表 系数的影响因素，建立了不同油品的温度补偿模型，确定了温度补偿系数和多 段非线性修正方法，保证了流量计计量的一致性和准确性。进入流量计的液体， 整流器对流态进行平整，有效防止了流量波动对流量计的冲击。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1、一种液体涡轮流量计，其特征在于，包括流量计本体，具有液体入口、液体出口及检出接口；整流器，设置在所述流量计本体内，包括多根细管，所述整流器具有液体入口端及液体出口端，所述整流器的液体入口端位于所述流量计本体的液体入口处；涡轮流量计，固定设置在所述流量计本体内并与所述整流器液体出口端相对，所述涡轮流量计包括涡轮、传感器，所述传感器与所述检出接口相对设置，所述传感器包括脉冲传感器和温度传感器；流量积算仪，设置在所述流量计本体外的所述检出器接口上并连接所述传感器，接收传感器采集的信号，所述流量积算仪又包括流量运算单元，接收所述脉冲传感器的脉冲信号并运算处理；温度补偿单元，接收所述温度传感器的温度信号并实时补偿由于温度引起的变化量；显示装置，连接所述流量积算仪并显示监测的或运算的结果数据；供电部，连接所述流量积算仪。
2、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述温度补偿单元又包括用于直接监测所述液体温度的监测模块，以及用于根据不同液体温度体积系数实时在线温度补偿的温度补偿模块。
3、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述流量积算仪还包括信息传输单元，所述信息传输单元又包括脉冲信号输出端口、 4 20mA模拟信号输出端口以及RS-485通讯端口 。
4、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述流量积算仪为TMCS-90S-D型系列微功耗集成芯片。
5、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述流量积算仪还包括多段非线性修正单元，用于修正所述涡轮流量计的误差。
6、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述涡轮的转子上设有6片螺旋叶片，叶片倾角为35。，叶片重叠度为0.7 1.1之间。
7、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述整流器设置的多根细管为不锈钢管，其数量为19、 21、 35或42中之一。
8、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述供电部包括内置3.6V锂电池及外接电源DC12 24V变压器。
9、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述流量计本体的顶部倾斜安装有保护罩，所述流量积算仪、所述供电部固定设置在所述保护罩内，所述显示装置设置在所述保护罩上。
10、 根据权利要求1所述的液体涡轮流量计，其特征在于，所述流量计本体为圆柱形壳体，两端口处分别设置有外连接槽，所述流量计本体底部设置有支脚，顶部设置有提手。
11、 一种应用于权利要求1所述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其特征在于，包括步骤步骤100，输送的液体经所述整流器整流、所述整流体压縮再经过所述涡轮流量计监测后输出；步骤110，所述涡轮流量计上的脉冲传感器将液体经过产生的脉冲信号传送至所述积算仪微处理器；步骤120，所述积算仪微处理器将接收到的脉冲信号经放大、A/D转换、计数后得出一初级流量信号；步骤130，所述温度传感器将采集的温度信号传送至所述积算仪处理器；步骤140，所述积算仪处理器将接收的温度信号经放大、A/D转换，选取不同的温度补偿模型，对所述初级流量信号进行修正得到二级流量信号；步骤160，输出及储存流量信号。
12、 根据权利要求11所述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其特征在于，所述步骤140之后还包括步骤150，对所述二级流量信号进行流量所在范围区间的区间判断，选取不同的流量仪表系数进行二次修正。
13、 根据权利要求11所述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其特征在于，所述温度补偿模型包括柴油、喷气燃油以及汽油的温度补偿模型，所述温度补偿以2(TC为基准进行换算，计算公式为「2。 = ^[1-/(卜M)J式中，F2。为油品2(TC体积；、 为油品tt:体积；/:为油品温度体积系数；,为输油实际温度。
14、 根据权利要求12所述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其特征在于，所述流量仪表系数用公式表示为《=//^式^，《为比例系数称为流量计的仪表系数；为涡轮流量计的脉冲频率；《v:为通过流量计的流量。
15、根据权利要求11所述的液体涡轮流量计的流量计量方法，其特征在于，还包括步骤170，显示/输出运算的结果或即时监测的结果数据。
全文摘要
一种液体涡轮流量计及其流量计量方法，液体涡轮流量计包括流量计本体，具有液体入口、出口及检出接口；从液体入口依次设置在流量计本体内的整流器、涡轮流量计，涡轮流量计包括涡轮、传感器；设置在检出器接口外并连接传感器的流量积算仪及连接流量积算仪的显示装置、供电部。本发明提供的流量计量方法是将旋转叶轮产生的脉冲信号进入流量积算仪处理经放大、A/D转换、计数，得出一初级流量信号；温度传感器测量的温度信号经放大、A/D转换，选用不同的温度补偿模型对初级流量信号修正，得出二级流量信号；利用多段非线性修正方法进行二次修正，得出最终的流量信号。本发明整流器与流量计本体集成一体结构体积小并通过温度补偿保证了计量的准确性。
文档编号G01F1/32GK101629837SQ20091015143
公开日2010年1月20日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年2月10日
发明者傅苏红, 张卫华, 张津林, 曹广军, 李明杰, 李继峰, 刚 陈 申请人:中国人民解放军总后勤部油料研究所;天津新科成套仪表有限公司