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　涡轮流量计特性影响因素分析
发布时间：2018-03-05

　　涡轮流量计是一种速度式流量测量仪表，具有高精度、宽量程、脉冲输出等优点，在工业生产过程被广泛应用［1-4］。由于被测对象的流动状态和黏度等因素会对涡轮流量计的特性造成较大影响，因此如不采取相应修正措施，会导致测量结果产生较大误差�？杉�，了解和掌握各类因素对涡轮流量计特性的影响机理，并研究补偿措施，对提高涡轮流量计的测量精度具有重要意义。
1流量测量精度影响因素
1.1涡轮流量计原理
　　涡轮流量计的原理如图1所示，结构如图2所示。涡轮流量计主要由壳体组件、叶轮组件、前后导向架组件、压紧圈和带前置放大器的磁电感应转换器等组成。在被测流体冲击下，涡轮沿管道轴向旋转，其旋转速度随流量的变化而变化，流量大则涡轮转速也大。磁电感应转换器将涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，送入显示仪表进行累积和显示。根据单位时间内脉冲数和累积脉冲数，即可求出瞬时流量和累积流量。
涡轮流量计工作原理图
　　在一定流量和流体黏度范围内，涡轮流量计输出的信号脉冲频率F与通过涡轮流量计的体积流量qv成正比，即：
F=Kqv（1）
式中：K为涡轮流量计仪表常数，1/L。
涡轮流量计结构图
　　将测得的信号脉冲频率除以仪表常数，即可得到体积流量。
　　涡轮流量计的理想工作状态是仪表常数K为常数，但实际使用中涡轮流量计的仪表常数与体积流量呈函数关系，即K=f（qv），影响该函数关系的主要因素有外部流状态、流体黏度等，因此在实际使用时，需要考虑消除或修正这些因素的影响［5］。
1.2外部流状态对涡轮流量计特性的影响
　　涡轮流量计的性能在实际使用中会受到漩涡流动、脉动流等的影响。漩涡流动状态与上游管道状况有关，脉动流则由压气机、鼓风机、旋转式机械等产生，会影响涡轮流量计的特性。
1.2.1漩涡流动
　　漩涡流动会直接影响涡轮流量计叶片的受力情况，进而对测量精度产生影响。针对漩涡流动对涡轮流量计的影响，学者们进行了大量研究。
　　将管道内有旋转流存在的流场作为研究对象，研究了旋转强度、涡轮流量计仪表精度与上游直管段长度之间的关系，得到了旋转强度与上游直管段的关系：
Sw=be-cx（2）
　　式中：Sw为旋转因数，用于表征漩涡强度；b和c为与流体性质、雷诺数和流量有关的常数，需要通过试验确定，对于不可压缩流体，b取值为0.030～0.085，c取值为0.10～0.50；x为上游直管段长度X与上游直管段直径D的比值。
仪表精度δ与x的关系为：

式中：α、d为待定因数；K0为出厂所标定的仪表常数。
　　将试验所得b、c值代入式（2），可知随着上游直管段长度的增加，漩涡流动的旋转流强度会随之衰减，即Sw值变小。由式（3）可知，涡轮流量计越靠近漩涡流动的源头，涡轮流量计的精度就越差，即x越小，δ越大。因此，在安装涡轮流量计时，增加其上游直管段长度以削弱漩涡流动对涡轮流量计精度的影响是有益的。
　　对涡轮流量计在漩涡流动中的特性进行了研究，计算了上游直管段长度变化时仪表常数的变化情况。图3为X=3D、X=9D、X=15D时，涡轮流量计分别在正旋来流、负旋来流的条件下，仪表常数随体积流量的变化趋势。由图3可看出：涡轮流量计上游直管段越长，漩涡流动对仪表常数影响就越小，这一趋势与张新平所得结论一致；正旋转来流会使仪表常数偏大，而负旋转则会使仪表常数偏小。
1.2.2脉动流
　　脉动流指流体在测量区域流速是时间的函数，但在一个足够长的时间段内有一个恒定的平均值。国内外学者针对进口脉动流脉动频率对涡轮流量计的影响规律进行了一系列研究，并得出进口脉动流对涡轮流量计测量误差的影响规律［7］。图4为李文、应启戛［8］针对进口脉动流不同的脉动频率对测量误差的影响进行研究所得到的结果，由图4可以看出：进口脉动流会导致涡轮流量计测量结果出现正误差，即测量值与真值相比偏大；当进口脉动流的脉动频率小于涡轮流量计叶轮角频率时，涡轮流量计测量结果接近真实值，进口脉动流所引起的测量误差很��；当进口脉动流的脉动频率大于涡轮流量计叶轮角频率时，进口脉动流所引起的测量误差则较大。
正负旋来流对涡轮流量计仪表常数影响图示
脉动频率对测量精度影响趋势图
1.3黏度对涡轮流量计特性的影响
　　涡轮流量计在使用过程中，当被测流体黏度与标定流体黏度不相同时，也会引起误差。通过研究发现，尽管被测流体黏度变化极其微小，但涡轮流量计的性能却会发生很大变化。图5所示为涡轮流量计测量不同黏度（1cSt=1mm2/s）时仪表常数随体积流量的变化趋势。
不同黏度时涡轮流量计典型特性曲线图
　　由图5可知，当被测流体黏度从小逐渐增大时，涡轮流量计的线性测量区间随之减小。线性区间表示仪表常数基本不随体积流量的变化而变化。当被测流体黏度较大，在47～170cSt区间段时，涡轮流量计的特性曲线甚至不会出现线性区间［9］。
2修正外部因素影响的方法
2.1外部流状态影响消除与修正
　　涡轮流量计特性曲线要保持良好的线性关系，流过涡轮流量计的流体应为充分发展的流型，即管道内流体流速基本趋于稳定，以消除漩涡流、脉动流等的影响。为保证流经涡轮流量计的流体充分发展，在涡轮流量计上下游均应有足够长的直管段，这样流体才能形成充分发展的流型。但是由于安装条件的限制，充分发展的流型往往难以形成，因而会影响涡轮流量计的性能。学者们从两个方面进行了大量研究，以消除或补偿这一影响，一方面研究涡轮流量计对应不同的上游管配件所需的实际上下游直管段长度，另一方面研究在无法达到所需上下游直管段长度时对流量计特性的影响及相应补偿方法。
　　对于工程测量而言，一般要求上游直管段长度≥20Dn，下游直管段长度≥5Dn，Dn为涡轮流量计口径。上游直管段长度的计算式为：
X=0.35KnDn/μ（4）
式中：μ为管道内摩擦因数；Kn为漩涡速度比［1］，由涡轮流量计上游管线特征确定。
表1为典型管线结构的Kn值

　　在上游直管段长度无法达到流场充分发展所需的长度时，需要从漩涡、脉动流等外部流造成的影响规律角度出发，获得修正曲线或公式。针对脉动流和上游速度剖面、漩涡流动等问题，国内外学者提出了不同的测量模型和测量方法。
2.2黏度影响消除与修正
　　针对流体黏度对涡轮流量计测量性能影响的问题，国内外学者进行了大量研究，这些研究从方法上而言可分为两大类：一类着眼于对现有涡轮流量计的研究，通过试验结合理论推导得到黏性修正曲线，以得到不同流体黏性时的体积流量转换关系，称为软件补偿法；另一类着重于设计出尽可能消除黏性影响的涡轮流量计，以避开由于标定流体与工作流体黏性不同所引起的误差，称为硬件补偿法。
2.2.1软件补偿法
　　软件补偿法主要通过理论和试验研究来得到黏度影响修正算法，目前应用比较广泛的是通用曲线法。这一方法通过量纲关联分析方法得到一个无量纲的流体黏度和体积流量之间的G函数关系式：

式中：qv为流体的体积流量，m3/s；v为被测流体的黏度，m2/s。
　　经过验证，式（5）在涡轮流量计黏度修正方面是行之有效的，但是在测量微小流量时偏差很大。
各种黏度修正算法的共同点是必须预先知道被测流体的黏度，然而一般直接测量流体的黏度比较困难，通常采用实时测量流体温度，再通过黏度与温度的关系式换算出黏度。由于温度对黏度影响较大，因此温度测量精度、黏度计算精度均会对涡轮流量计黏度补偿的精度有所影响，这同时导致了软件补偿法的精度一般不是很高。
2.2.2硬件补偿法
　　被测流体黏度变化影响涡轮流量计性能的机理如下：被测流体黏度变化引起雷诺数变化，从而引起涡轮流量计叶片入口环形通道横截面上的流体速度剖面变化，该速度剖面变化会导致涡轮流量计性能变化，进而对仪表常数造成影响。因此，优化涡轮流量计外壳内壁叶轮前面部分的形状、减小流体速度剖面随被测流体黏度的变化，是从硬件角度降低涡轮流量计对被测流体黏度变化敏感度的重要研究方向。
　　另一方面，涡轮流量计的叶片顶端与传感器外壳之间间隙的变化对涡轮流量计性能也有很大影响。被测流体黏度变化时，涡轮流量计的叶片顶隙中流动阻力发生变化，使涡轮流量计叶片的流体体积流量也发生变化，涡轮流量计叶轮转速随之受到影响。适当选择间隙大小，能起到降低涡轮流量计对被测流体黏度变化敏感度的作用。
　　涡轮流量计性能还受涡轮流量计叶片表面被测流体黏性阻力矩的影响。涡轮流量计叶片表面黏性阻力的圆周向分量决定了涡轮流量计叶轮阻力矩的大小，也会间接影响涡轮流量计叶轮的转速。优化涡轮流量计叶片几何参数，减小黏性阻力矩，降低其受被测流体黏度变化影响，同样是降低涡轮流量计性能受被测流体黏度变化影响的途径之一［7，9］。
3结束语
　　涡轮流量计在体积流量测量方面有诸多优点，为保证其测量精度，需要注意以下事项：安装时为尽可能避免外部来流的影响，需按工艺要求保证足够长的上下游直管段；对影响涡流流量计特性的漩涡流动、脉动流、黏度等因素，需要进行必要的补偿。

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