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學模型，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，但在一個足夠長的時間段內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在層流中，大多數工業(yè)管流均出現湍流現象，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，如幅值、頻率和波形，然后通過這些參數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的一種速度式流量儀表。對非穩(wěn)定流，由于轉子葉片和相關傳動裝置的共振、轉子的轉動慣量、脈動的形狀、轉子和齒輪的摩擦阻力及轉子瞬時轉矩等因素影響，使渦輪流量計產生很大的誤差。用機翼理論來分析作用在轉子上的驅動力矩和阻力矩，可得到其運動方程

式中Ｊ為葉片轉動慣量，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為渦輪的旋轉角加速度，Ｑ為通過管道的流量。

若把脈動流表示為Ｑ =ａｓｉｎ2πｆｐｔ，經分析整理，可得出渦輪旋轉角加速度與脈動流各參數的關系：

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)式在脈動周期內各離散點所對應的ω(ｔ) ,據此計算可畫出ω(ｔ)曲線。其流程圖如圖1：

2.2 結果與分析

經過計算分析，發(fā)現導致渦輪流量計產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)下渦輪的旋轉角加速度的關系為ω=2πｆｐ(1 ｑｍ)ｒ2 時，響應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，發(fā)現有時圖形失真非常厲害，通過對多幅圖形的比較，發(fā)現有如下規(guī)律：(見圖2、圖3)

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

(2) 當脈動頻率ｆｐ大于旋轉角加速度ω時，儀表的響應曲線開始失真。脈動頻率導致響應曲線的幅值發(fā)生改變，經分析發(fā)現，脈動頻率越大，響應幅值越小，脈動頻率越小，響應幅值越大，即隨著頻率的增大，響應失真程度隨著增大，但*終有趨于穩(wěn)定的趨勢。

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

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

3、結論

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，當脈動頻率ｆｐ小于旋轉角加速度ω時，流量儀表的響應曲線與輸入脈動曲線相似，測量結果接近于真值；脈動振幅對渦輪流量計的測量精確度存在影響，但當脈動振幅小于某一振幅值時，可認為其不影響渦輪流量計的精度；葉片轉動慣量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。