摘要：對渦輪流量計在脈動(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)對不同脈動(dòng)頻率和振幅下渦輪流量計測量精確度的編程計算，總結并驗證了脈動(dòng)流對渦輪流量計測量精確度的影響規律。

1、脈動(dòng)流特性

幾乎所有的管道流都是不穩定的，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)流是指流體在測量區域的流速是時(shí)間的函數，但在一個(gè)足夠長(cháng)的時(shí)間段內有一個(gè)恒定的平均值，這個(gè)值取決于脈動(dòng)流的流動(dòng)規律。

真正的管道定常流僅出現在層流中，大多數工業(yè)管流均出現湍流現象，只是一種統計意義上的定常流。脈動(dòng)流會(huì )影響渦輪流量計的測量精確度，有時(shí)會(huì )使其測量值嚴重失真，所以工業(yè)上迫切需要研究脈動(dòng)流對其測量精確度的影響。

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

2、脈動(dòng)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(dòng)量矩守恒原理為基礎的一種速度式流量?jì)x表。對非穩定流，由于轉子葉片和相關(guān)傳動(dòng)裝置的共振、轉子的轉動(dòng)慣量、脈動(dòng)的形狀、轉子和齒輪的摩擦阻力及轉子瞬時(shí)轉矩等因素影響，使渦輪流量計產(chǎn)生很大的誤差。用機翼理論來(lái)分析作用在轉子上的驅動(dòng)力矩和阻力矩，可得到其運動(dòng)方程

式中Ｊ為葉片轉動(dòng)慣量，θ為葉與軸線(xiàn)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，可得出渦輪旋轉角加速度與脈動(dòng)流各參數的關(guān)系：

其中Ｃ為穩態(tài)時(shí)的ω值。

對特定的渦輪流量計和不同的脈動(dòng)流，可編程計算出(2)式在脈動(dòng)周期內各離散點(diǎn)所對應的ω(ｔ) ,據此計算可畫(huà)出ω(ｔ)曲線(xiàn)。其流程圖如圖1：

2.2 結果與分析

經(jīng)過(guò)計算分析，發(fā)現導致渦輪流量計產(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)流的頻率與穩態(tài)下渦輪的旋轉角加速度的關(guān)系為ω=2πｆｐ(1 ｑｍ)ｒ2 時(shí)，響應曲線(xiàn)與輸入正弦曲線(xiàn)*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，發(fā)現有時(shí)圖形失真非常厲害，通過(guò)對多幅圖形的比較，發(fā)現有如下規律：(見(jiàn)圖2、圖3)

(1) 當脈動(dòng)流頻率ｆｐ小于旋轉角加速度ω時(shí)，流量?jì)x表的響應類(lèi)似于脈沖輸入，測量結果接近于真值，且脈沖頻率越小，結果越接近真值，當脈沖頻率遠遠小于渦輪旋轉角加速度時(shí)，儀表的測量誤差幾乎為零。

(2) 當脈動(dòng)頻率ｆｐ大于旋轉角加速度ω時(shí)，儀表的響應曲線(xiàn)開(kāi)始失真。脈動(dòng)頻率導致響應曲線(xiàn)的幅值發(fā)生改變，經(jīng)分析發(fā)現，脈動(dòng)頻率越大，響應幅值越小，脈動(dòng)頻率越小，響應幅值越大，即隨著(zhù)頻率的增大，響應失真程度隨著(zhù)增大，但*終有趨于穩定的趨勢。

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

(4) 對于形狀不失真的響應曲線(xiàn)，其響應曲線(xiàn)的幅值還與其它參數有關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現，對測量誤差影響較大的參數還有葉片轉動(dòng)慣量Ｊ和葉片的初始旋轉角加速度Ｃ。Ｊ越小，響應曲線(xiàn)的幅值越大，Ｊ越大，響應曲線(xiàn)的幅值越小。但Ｊ太大或太小都會(huì )影響響應曲線(xiàn)的幅值失真過(guò)大，其值取在2×10-6～3×10-6(ｋｇ·ｍ2)之間時(shí)，響應曲線(xiàn)*好。從參數分析可知，響應曲線(xiàn)與輸入脈動(dòng)曲線(xiàn)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、結論

從以上分析計算可知，脈動(dòng)流頻率對渦輪流量計的測量精確度影響*大，當脈動(dòng)頻率ｆｐ小于旋轉角加速度ω時(shí)，流量?jì)x表的響應曲線(xiàn)與輸入脈動(dòng)曲線(xiàn)相似，測量結果接近于真值；脈動(dòng)振幅對渦輪流量計的測量精確度存在影響，但當脈動(dòng)振幅小于某一振幅值時(shí)，可認為其不影響渦輪流量計的精度；葉片轉動(dòng)慣量Ｊ和葉片的初始旋轉加速度Ｃ也對渦輪流量計測量精確度有影響。