摘要：對(duì)渦輪流量計(jì)在脈動(dòng)流中的特性進(jìn)行了研究，利用渦輪流量傳感器的數(shù)學(xué)模型，求出了在正弦脈動(dòng)流作用下的角加速度與脈動(dòng)頻率及振幅的理論關(guān)系式，通過(guò)對(duì)不同脈動(dòng)頻率和振幅下渦輪流量計(jì)測(cè)量精確度的編程計(jì)算，總結(jié)并驗(yàn)證了脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精確度的影響規(guī)律。

1、脈動(dòng)流特性

幾乎所有的管道流都是不穩(wěn)定的，不論是層流狀態(tài)、還是湍流狀態(tài)下都存在各種干擾。所謂脈動(dòng)流是指流體在測(cè)量區(qū)域的流速是時(shí)間的函數(shù)，但在一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)有一個(gè)恒定的平均值，這個(gè)值取決于脈動(dòng)流的流動(dòng)規(guī)律。

真正的管道定常流僅出現(xiàn)在層流中，大多數(shù)工業(yè)管流均出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，只是一種統(tǒng)計(jì)意義上的定常流。脈動(dòng)流會(huì)影響渦輪流量計(jì)的測(cè)量精確度，有時(shí)會(huì)使其測(cè)量值嚴(yán)重失真，所以工業(yè)上迫切需要研究脈動(dòng)流對(duì)其測(cè)量精確度的影響。

脈動(dòng)無(wú)處無(wú)時(shí)不在，但測(cè)量卻非常困難，我們通常只能測(cè)量出脈動(dòng)的主要參數(shù)，如幅值、頻率和波形，然后通過(guò)這些參數(shù)分析脈動(dòng)可能給流量計(jì)造成的影響。

2、脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精確度的影響

2.1 特性方程及其計(jì)算

316智能渦輪流量計(jì)以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)的一種速度式流量?jī)x表。對(duì)非穩(wěn)定流，由于轉(zhuǎn)子葉片和相關(guān)傳動(dòng)裝置的共振、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、脈動(dòng)的形狀、轉(zhuǎn)子和齒輪的摩擦阻力及轉(zhuǎn)子瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩等因素影響，使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生很大的誤差。用機(jī)翼理論來(lái)分析作用在轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩，可得到其運(yùn)動(dòng)方程

式中Ｊ為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θ為葉與軸線之間的夾角，ｒ?yàn)闇u輪葉片的平均半徑，Ａ為管道流量面積，ρ為流體密度，ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角加速度，Ｑ為通過(guò)管道的流量。

若把脈動(dòng)流表示為Ｑ =ａｓｉｎ2πｆｐｔ，經(jīng)分析整理，可得出渦輪旋轉(zhuǎn)角加速度與脈動(dòng)流各參數(shù)的關(guān)系：

其中Ｃ為穩(wěn)態(tài)時(shí)的ω值。

對(duì)特定的渦輪流量計(jì)和不同的脈動(dòng)流，可編程計(jì)算出(2)式在脈動(dòng)周期內(nèi)各離散點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的ω(ｔ) ,據(jù)此計(jì)算可畫(huà)出ω(ｔ)曲線。其流程圖如圖1：

2.2 結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致渦輪流量計(jì)產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動(dòng)流的頻率，所加的正弦脈動(dòng)流的頻率與穩(wěn)態(tài)下渦輪的旋轉(zhuǎn)角加速度的關(guān)系為ω=2πｆｐ(1 ｑｍ)ｒ2 時(shí)，響應(yīng)曲線與輸入正弦曲線*為接近，與理論分析基本吻合。多次改變脈動(dòng)流頻率、振幅參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)圖形失真非常厲害，通過(guò)對(duì)多幅圖形的比較，發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律：(見(jiàn)圖2、圖3)

(1) 當(dāng)脈動(dòng)流頻率ｆｐ小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí)，流量?jī)x表的響應(yīng)類(lèi)似于脈沖輸入，測(cè)量結(jié)果接近于真值，且脈沖頻率越小，結(jié)果越接近真值，當(dāng)脈沖頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于渦輪旋轉(zhuǎn)角加速度時(shí)，儀表的測(cè)量誤差幾乎為零。

(2) 當(dāng)脈動(dòng)頻率ｆｐ大于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí)，儀表的響應(yīng)曲線開(kāi)始失真。脈動(dòng)頻率導(dǎo)致響應(yīng)曲線的幅值發(fā)生改變，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)頻率越大，響應(yīng)幅值越小，脈動(dòng)頻率越小，響應(yīng)幅值越大，即隨著頻率的增大，響應(yīng)失真程度隨著增大，但*終有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

(3) 當(dāng)脈動(dòng)頻率ｆｐ大于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí)，響應(yīng)曲線的失真程度隨脈動(dòng)振幅的增大而加劇，但當(dāng)脈動(dòng)振幅小于某一振幅值時(shí)，其變化可認(rèn)為不影響渦輪流量計(jì)的精度；當(dāng)脈動(dòng)頻率ｆｐ小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí)，響應(yīng)曲線的失真程度與脈動(dòng)振幅的變化無(wú)關(guān)聯(lián)。

(4) 對(duì)于形狀不失真的響應(yīng)曲線，其響應(yīng)曲線的幅值還與其它參數(shù)有關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)測(cè)量誤差影響較大的參數(shù)還有葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ｊ和葉片的初始旋轉(zhuǎn)角加速度Ｃ。Ｊ越小，響應(yīng)曲線的幅值越大，Ｊ越大，響應(yīng)曲線的幅值越小。但Ｊ太大或太小都會(huì)影響響應(yīng)曲線的幅值失真過(guò)大，其值取在2×10-6～3×10-6(ｋｇ·ｍ2)之間時(shí)，響應(yīng)曲線*好。從參數(shù)分析可知，響應(yīng)曲線與輸入脈動(dòng)曲線之間有一個(gè)位移，此位移的大小主要是與初始值Ｃ有關(guān)。

3、結(jié)論

從以上分析計(jì)算可知，脈動(dòng)流頻率對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量精確度影響*大，當(dāng)脈動(dòng)頻率ｆｐ小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí)，流量?jī)x表的響應(yīng)曲線與輸入脈動(dòng)曲線相似，測(cè)量結(jié)果接近于真值；脈動(dòng)振幅對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量精確度存在影響，但當(dāng)脈動(dòng)振幅小于某一振幅值時(shí)，可認(rèn)為其不影響渦輪流量計(jì)的精度；葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ｊ和葉片的初始旋轉(zhuǎn)加速度Ｃ也對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精確度有影響。