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　　渦輪流量計(jì)是一種速度式流量測量儀表，具有高精度、寬量程、脈沖輸出等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程被廣泛應(yīng)用［1-4］。由于被測對象的流動狀態(tài)和黏度等因素會對渦輪流量計(jì)的特性造成較大影響，因此如不采取相應(yīng)修正措施，會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差�？梢姡�了解和掌握各類因素對渦輪流量計(jì)特性的影響機(jī)理，并研究補(bǔ)償措施，對提高渦輪流量計(jì)的測量精度具有重要意義。
1流量測量精度影響因素
1.1渦輪流量計(jì)原理
　　渦輪流量計(jì)的原理如圖1所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示。渦輪流量計(jì)主要由殼體組件、葉輪組件、前后導(dǎo)向架組件、壓緊圈和帶前置放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器等組成。在被測流體沖擊下，渦輪沿管道軸向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，流量大則渦輪轉(zhuǎn)速也大。磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器將渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，送入顯示儀表進(jìn)行累積和顯示。根據(jù)單位時間內(nèi)脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)，即可求出瞬時流量和累積流量。

　　在一定流量和流體黏度范圍內(nèi)，渦輪流量計(jì)輸出的信號脈沖頻率F與通過渦輪流量計(jì)的體積流量qv成正比，即：
F=Kqv（1）
式中：K為渦輪流量計(jì)儀表常數(shù)，1/L。

　　將測得的信號脈沖頻率除以儀表常數(shù)，即可得到體積流量。
　　渦輪流量計(jì)的理想工作狀態(tài)是儀表常數(shù)K為常數(shù)，但實(shí)際使用中渦輪流量計(jì)的儀表常數(shù)與體積流量呈函數(shù)關(guān)系，即K=f（qv），影響該函數(shù)關(guān)系的主要因素有外部流狀態(tài)、流體黏度等，因此在實(shí)際使用時，需要考慮消除或修正這些因素的影響［5］。
1.2外部流狀態(tài)對渦輪流量計(jì)特性的影響
　　渦輪流量計(jì)的性能在實(shí)際使用中會受到漩渦流動、脈動流等的影響。漩渦流動狀態(tài)與上游管道狀況有關(guān)，脈動流則由壓氣機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)式機(jī)械等產(chǎn)生，會影響渦輪流量計(jì)的特性。
1.2.1漩渦流動
　　漩渦流動會直接影響渦輪流量計(jì)葉片的受力情況，進(jìn)而對測量精度產(chǎn)生影響。針對漩渦流動對渦輪流量計(jì)的影響，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。
　　將管道內(nèi)有旋轉(zhuǎn)流存在的流場作為研究對象，研究了旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、渦輪流量計(jì)儀表精度與上游直管段長度之間的關(guān)系，得到了旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度與上游直管段的關(guān)系：
Sw=be-cx（2）
　　式中：Sw為旋轉(zhuǎn)因數(shù)，用于表征漩渦強(qiáng)度；b和c為與流體性質(zhì)、雷諾數(shù)和流量有關(guān)的常數(shù)，需要通過試驗(yàn)確定，對于不可壓縮流體，b取值為0.030～0.085，c取值為0.10～0.50；x為上游直管段長度X與上游直管段直徑D的比值。
儀表精度δ與x的關(guān)系為：

式中：α、d為待定因數(shù)；K0為出廠所標(biāo)定的儀表常數(shù)。
　　將試驗(yàn)所得b、c值代入式（2），可知隨著上游直管段長度的增加，漩渦流動的旋轉(zhuǎn)流強(qiáng)度會隨之衰減，即Sw值變小。由式（3）可知，渦輪流量計(jì)越靠近漩渦流動的源頭，渦輪流量計(jì)的精度就越差，即x越小，δ越大。因此，在安裝渦輪流量計(jì)時，增加其上游直管段長度以削弱漩渦流動對渦輪流量計(jì)精度的影響是有益的。
　　對渦輪流量計(jì)在漩渦流動中的特性進(jìn)行了研究，計(jì)算了上游直管段長度變化時儀表常數(shù)的變化情況。圖3為X=3D、X=9D、X=15D時，渦輪流量計(jì)分別在正旋來流、負(fù)旋來流的條件下，儀表常數(shù)隨體積流量的變化趨勢。由圖3可看出：渦輪流量計(jì)上游直管段越長，漩渦流動對儀表常數(shù)影響就越小，這一趨勢與張新平所得結(jié)論一致；正旋轉(zhuǎn)來流會使儀表常數(shù)偏大，而負(fù)旋轉(zhuǎn)則會使儀表常數(shù)偏小。
1.2.2脈動流
　　脈動流指流體在測量區(qū)域流速是時間的函數(shù)，但在一個足夠長的時間段內(nèi)有一個恒定的平均值。國內(nèi)外學(xué)者針對進(jìn)口脈動流脈動頻率對渦輪流量計(jì)的影響規(guī)律進(jìn)行了一系列研究，并得出進(jìn)口脈動流對渦輪流量計(jì)測量誤差的影響規(guī)律［7］。圖4為李文、應(yīng)啟戛［8］針對進(jìn)口脈動流不同的脈動頻率對測量誤差的影響進(jìn)行研究所得到的結(jié)果，由圖4可以看出：進(jìn)口脈動流會導(dǎo)致渦輪流量計(jì)測量結(jié)果出現(xiàn)正誤差，即測量值與真值相比偏大；當(dāng)進(jìn)口脈動流的脈動頻率小于渦輪流量計(jì)葉輪角頻率時，渦輪流量計(jì)測量結(jié)果接近真實(shí)值，進(jìn)口脈動流所引起的測量誤差很小；當(dāng)進(jìn)口脈動流的脈動頻率大于渦輪流量計(jì)葉輪角頻率時，進(jìn)口脈動流所引起的測量誤差則較大。


1.3黏度對渦輪流量計(jì)特性的影響
　　渦輪流量計(jì)在使用過程中，當(dāng)被測流體黏度與標(biāo)定流體黏度不相同時，也會引起誤差。通過研究發(fā)現(xiàn)，盡管被測流體黏度變化極其微小，但渦輪流量計(jì)的性能卻會發(fā)生很大變化。圖5所示為渦輪流量計(jì)測量不同黏度（1cSt=1mm2/s）時儀表常數(shù)隨體積流量的變化趨勢。

　　由圖5可知，當(dāng)被測流體黏度從小逐漸增大時，渦輪流量計(jì)的線性測量區(qū)間隨之減小。線性區(qū)間表示儀表常數(shù)基本不隨體積流量的變化而變化。當(dāng)被測流體黏度較大，在47～170cSt區(qū)間段時，渦輪流量計(jì)的特性曲線甚至不會出現(xiàn)線性區(qū)間［9］。
2修正外部因素影響的方法
2.1外部流狀態(tài)影響消除與修正
　　渦輪流量計(jì)特性曲線要保持良好的線性關(guān)系，流過渦輪流量計(jì)的流體應(yīng)為充分發(fā)展的流型，即管道內(nèi)流體流速基本趨于穩(wěn)定，以消除漩渦流、脈動流等的影響。為保證流經(jīng)渦輪流量計(jì)的流體充分發(fā)展，在渦輪流量計(jì)上下游均應(yīng)有足夠長的直管段，這樣流體才能形成充分發(fā)展的流型。但是由于安裝條件的限制，充分發(fā)展的流型往往難以形成，因而會影響渦輪流量計(jì)的性能。學(xué)者們從兩個方面進(jìn)行了大量研究，以消除或補(bǔ)償這一影響，一方面研究渦輪流量計(jì)對應(yīng)不同的上游管配件所需的實(shí)際上下游直管段長度，另一方面研究在無法達(dá)到所需上下游直管段長度時對流量計(jì)特性的影響及相應(yīng)補(bǔ)償方法。
　　對于工程測量而言，一般要求上游直管段長度≥20Dn，下游直管段長度≥5Dn，Dn為渦輪流量計(jì)口徑。上游直管段長度的計(jì)算式為：
X=0.35KnDn/μ（4）
式中：μ為管道內(nèi)摩擦因數(shù)；Kn為漩渦速度比［1］，由渦輪流量計(jì)上游管線特征確定。
表1為典型管線結(jié)構(gòu)的Kn值

　　在上游直管段長度無法達(dá)到流場充分發(fā)展所需的長度時，需要從漩渦、脈動流等外部流造成的影響規(guī)律角度出發(fā)，獲得修正曲線或公式。針對脈動流和上游速度剖面、漩渦流動等問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的測量模型和測量方法。
2.2黏度影響消除與修正
　　針對流體黏度對渦輪流量計(jì)測量性能影響的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，這些研究從方法上而言可分為兩大類：一類著眼于對現(xiàn)有渦輪流量計(jì)的研究，通過試驗(yàn)結(jié)合理論推導(dǎo)得到黏性修正曲線，以得到不同流體黏性時的體積流量轉(zhuǎn)換關(guān)系，稱為軟件補(bǔ)償法；另一類著重于設(shè)計(jì)出盡可能消除黏性影響的渦輪流量計(jì)，以避開由于標(biāo)定流體與工作流體黏性不同所引起的誤差，稱為硬件補(bǔ)償法。
2.2.1軟件補(bǔ)償法
　　軟件補(bǔ)償法主要通過理論和試驗(yàn)研究來得到黏度影響修正算法，目前應(yīng)用比較廣泛的是通用曲線法。這一方法通過量綱關(guān)聯(lián)分析方法得到一個無量綱的流體黏度和體積流量之間的G函數(shù)關(guān)系式：

式中：qv為流體的體積流量，m3/s；v為被測流體的黏度，m2/s。
　　經(jīng)過驗(yàn)證，式（5）在渦輪流量計(jì)黏度修正方面是行之有效的，但是在測量微小流量時偏差很大。
各種黏度修正算法的共同點(diǎn)是必須預(yù)先知道被測流體的黏度，然而一般直接測量流體的黏度比較困難，通常采用實(shí)時測量流體溫度，再通過黏度與溫度的關(guān)系式換算出黏度。由于溫度對黏度影響較大，因此溫度測量精度、黏度計(jì)算精度均會對渦輪流量計(jì)黏度補(bǔ)償?shù)木�度有所影響，這同時導(dǎo)致了軟件補(bǔ)償法的精度一般不是很高。
2.2.2硬件補(bǔ)償法
　　被測流體黏度變化影響渦輪流量計(jì)性能的機(jī)理如下：被測流體黏度變化引起雷諾數(shù)變化，從而引起渦輪流量計(jì)葉片入口環(huán)形通道橫截面上的流體速度剖面變化，該速度剖面變化會導(dǎo)致渦輪流量計(jì)性能變化，進(jìn)而對儀表常數(shù)造成影響。因此，優(yōu)化渦輪流量計(jì)外殼內(nèi)壁葉輪前面部分的形狀、減小流體速度剖面隨被測流體黏度的變化，是從硬件角度降低渦輪流量計(jì)對被測流體黏度變化敏感度的重要研究方向。
　　另一方面，渦輪流量計(jì)的葉片頂端與傳感器外殼之間間隙的變化對渦輪流量計(jì)性能也有很大影響。被測流體黏度變化時，渦輪流量計(jì)的葉片頂隙中流動阻力發(fā)生變化，使渦輪流量計(jì)葉片的流體體積流量也發(fā)生變化，渦輪流量計(jì)葉輪轉(zhuǎn)速隨之受到影響。適當(dāng)選擇間隙大小，能起到降低渦輪流量計(jì)對被測流體黏度變化敏感度的作用。
　　渦輪流量計(jì)性能還受渦輪流量計(jì)葉片表面被測流體黏性阻力矩的影響。渦輪流量計(jì)葉片表面黏性阻力的圓周向分量決定了渦輪流量計(jì)葉輪阻力矩的大小，也會間接影響渦輪流量計(jì)葉輪的轉(zhuǎn)速。優(yōu)化渦輪流量計(jì)葉片幾何參數(shù)，減小黏性阻力矩，降低其受被測流體黏度變化影響，同樣是降低渦輪流量計(jì)性能受被測流體黏度變化影響的途徑之一［7，9］。
3結(jié)束語
　　渦輪流量計(jì)在體積流量測量方面有諸多優(yōu)點(diǎn)，為保證其測量精度，需要注意以下事項(xiàng)：安裝時為盡可能避免外部來流的影響，需按工藝要求保證足夠長的上下游直管段；對影響渦流流量計(jì)特性的漩渦流動、脈動流、黏度等因素，需要進(jìn)行必要的補(bǔ)償。

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