渦輪流量計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，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。可見，了解和掌握各類因素對渦輪流量計特性的影響機理，并研究補償措施，對提高渦輪流量計的測量精度具有重要意義。
1流量測量精度影響因素
1.1渦輪流量計原理
　　渦輪流量計的原理如圖1所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示。渦輪流量計主要由殼體組件、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)，渦輪流量計輸出的信號脈沖頻率F與通過渦輪流量計的體積流量qv成正比，即：
F=Kqv（1）
式中：K為渦輪流量計儀表常數(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。
　　渦輪流量計的理想工作狀態(tài)是儀表常數(shù)K為常數(shù)，但實際使用中渦輪流量計的儀表常數(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)對渦輪流量計特性的影響
　　渦輪流量計的性能在實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、鼓風(fēng)機、旋轉(zhuǎn)式機械等產(chǎn)生，會影響渦輪流量計的特性。
1.2.1漩渦流動
　　漩渦流動會直接影響渦輪流量計葉片的受力情況，進而對測量精度產(chǎn)生影響。針對漩渦流動對渦輪流量計的影響，學(xué)者們進行了大量研究。
　　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)強度、渦輪流量計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)流強度會隨之衰減，即Sw值變小。由式（3）可知，渦輪流量計越靠近漩渦流動的源頭，渦輪流量計的精度就越差，即x越小，δ越大。因此，在安裝渦輪流量計時，增加其上游直管段長度以削弱漩渦流動對渦輪流量計精度的影響是有益的。
　　對渦輪流量計在漩渦流動中的特性進行了研究，計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)者針對進口脈動流脈動頻率對渦輪流量計的影響規(guī)律進行了一系列研究，并得出進口脈動流對渦輪流量計測量誤差的影響規(guī)律［7］。圖4為李文、應(yīng)啟戛［8］針對進口脈動流不同的脈動頻率對測量誤差的影響進行研究所得到的結(jié)果，由圖4可以看出：進口脈動流會導(dǎo)致渦輪流量計測量結(jié)果出現(xiàn)正誤差，即測量值與真值相比偏大；當(dāng)進口脈動流的脈動頻率小于渦輪流量計葉輪角頻率時，渦輪流量計測量結(jié)果接近真實值，進口脈動流所引起的測量誤差很��；當(dāng)進口脈動流的脈動頻率大于渦輪流量計葉輪角頻率時，進口脈動流所引起的測量誤差則較大。


1.3黏度對渦輪流量計特性的影響
　　渦輪流量計在使用過程中，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，但渦輪流量計的性能卻會發(fā)生很大變化。圖5所示為渦輪流量計測量不同黏度（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
　　渦輪流量計特性曲線要保持良好的線性關(guān)系，流過渦輪流量計的流體應(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)渦輪流量計的流體充分發(fā)展，在渦輪流量計上下游均應(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的性能。學(xué)者們從兩個方面進行了大量研究，以消除或補償這一影響，一方面研究渦輪流量計對應(yīng)不同的上游管配件所需的實際上下游直管段長度，另一方面研究在無法達到所需上下游直管段長度時對流量計特性的影響及相應(yīng)補償方法。
　　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為渦輪流量計口徑。上游直管段長度的計算式為：
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測量性能影響的問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究，這些研究從方法上而言可分為兩大類：一類著眼于對現(xiàn)有渦輪流量計的研究，通過試驗結(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，稱為軟件補償法；另一類著重于設(shè)計出盡可能消除黏性影響的渦輪流量計，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，稱為硬件補償法。
2.2.1軟件補償法
　　軟件補償法主要通過理論和試驗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)過驗證，式（5）在渦輪流量計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、黏度計算精度均會對渦輪流量計黏度補償?shù)木�度有所影響，這同時導(dǎo)致了軟件補償法的精度一般不是很高。
2.2.2硬件補償法
　　被測流體黏度變化影響渦輪流量計性能的機理如下：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)致渦輪流量計性能變化，進而對儀表常數(shù)造成影響。因此，優(yōu)化渦輪流量計外殼內(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，渦輪流量計的葉片頂端與傳感器外殼之間間隙的變化對渦輪流量計性能也有很大影響。被測流體黏度變化時，渦輪流量計的葉片頂隙中流動阻力發(fā)生變化，使渦輪流量計葉片的流體體積流量也發(fā)生變化，渦輪流量計葉輪轉(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對被測流體黏度變化敏感度的作用。
　　渦輪流量計性能還受渦輪流量計葉片表面被測流體黏性阻力矩的影響。渦輪流量計葉片表面黏性阻力的圓周向分量決定了渦輪流量計葉輪阻力矩的大小，也會間接影響渦輪流量計葉輪的轉(zhuǎn)速。優(yōu)化渦輪流量計葉片幾何參數(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
　　渦輪流量計在體積流量測量方面有諸多優(yōu)點，為保證其測量精度，需要注意以下事項：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；對影響渦流流量計特性的漩渦流動、脈動流、黏度等因素，需要進行必要的補償。

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