摘要：對渦輪流量計在脈動流中的特性進行了研究，利用渦輪流量傳感器的數(shù)學(xué)模型，求出了在正弦脈動流作用下的角加速度與脈動頻率及振幅的理論關(guān)系式，通過對不同脈動頻率和振幅下渦輪流量計測量精確度的編程計算，總結(jié)并驗證了脈動流對渦輪流量計測量精確度的影響規(guī)律。

1、脈動流特性

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。所謂脈動流是指流體在測量區(qū)域的流速是時間的函數(shù)，但在一個足夠長的時間段內(nèi)有一個恒定的平均值，這個值取決于脈動流的流動規(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)計意義上的定常流。脈動流會影響渦輪流量計的測量精確度，有時會使其測量值嚴(yán)重失真，所以工業(yè)上迫切需要研究脈動流對其測量精確度的影響。

脈動無處無時不在，但測量卻非常困難，我們通常只能測量出脈動的主要參數(shù)，如幅值、頻率和波形，然后通過這些參數(shù)分析脈動可能給流量計造成的影響。

2、脈動流對渦輪流量計測量精確度的影響

2.1 特性方程及其計算

316智能渦輪流量計以動量矩守恒原理為基礎(chǔ)的一種速度式流量儀表。對非穩(wěn)定流，由于轉(zhuǎn)子葉片和相關(guān)傳動裝置的共振、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、脈動的形狀、轉(zhuǎn)子和齒輪的摩擦阻力及轉(zhuǎn)子瞬時轉(zhuǎn)矩等因素影響，使渦輪流量計產(chǎn)生很大的誤差。用機翼理論來分析作用在轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩和阻力矩，可得到其運動方程

式中Ｊ為葉片轉(zhuǎn)動慣量，θ為葉與軸線之間的夾角，ｒ為渦輪葉片的平均半徑，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為通過管道的流量。

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

其中Ｃ為穩(wěn)態(tài)時的ω值。

對特定的渦輪流量計和不同的脈動流，可編程計算出(2)式在脈動周期內(nèi)各離散點所對應(yīng)的ω(ｔ) ,據(jù)此計算可畫出ω(ｔ)曲線。其流程圖如圖1：

2.2 結(jié)果與分析

經(jīng)過計算分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致渦輪流量計產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動流的頻率，所加的正弦脈動流的頻率與穩(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，響應(yīng)曲線與輸入正弦曲線*為接近，與理論分析基本吻合。多次改變脈動流頻率、振幅參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有時圖形失真非常厲害，通過對多幅圖形的比較，發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律：(見圖2、圖3)

(1) 當(dāng)脈動流頻率ｆｐ小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時，流量儀表的響應(yīng)類似于脈沖輸入，測量結(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，儀表的測量誤差幾乎為零。

(2) 當(dāng)脈動頻率ｆｐ大于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時，儀表的響應(yīng)曲線開始失真。脈動頻率導(dǎo)致響應(yīng)曲線的幅值發(fā)生改變，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，脈動頻率越大，響應(yīng)幅值越小，脈動頻率越小，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。

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

(4) 對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)，對測量誤差影響較大的參數(shù)還有葉片轉(zhuǎn)動慣量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太大或太小都會影響響應(yīng)曲線的幅值失真過大，其值取在2×10-6～3×10-6(ｋｇ·ｍ2)之間時，響應(yīng)曲線*好。從參數(shù)分析可知，響應(yīng)曲線與輸入脈動曲線之間有一個位移，此位移的大小主要是與初始值Ｃ有關(guān)。

3、結(jié)論

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