摘要：本文對渦輪流量計在脈動流中的特性進(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誤差的編程計算，總結(jié)并驗證了脈動流對脈沖輸出渦輪流量計誤差的影響規(guī)律。

1、引言

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。脈動流的存在會導(dǎo)致流量計出現(xiàn)計量誤差，甚至不能正常工作。如何校正或減少脈動對流量測量特性的影響，是流量測量中比較重要的課題。

2、脈動對渦輪流量計流量測量的影響

2.1誤差方程及其計算

應(yīng)用機(jī)翼理論來分析作用在渦輪轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩和阻力矩，可得到其運(yùn)動方程：

式中，J為葉片轉(zhuǎn)動慣量，θ為葉片與軸線之間的夾角，r為渦輪葉片的平均半徑，A =為管道流道面積，ρ為流體密度，ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度，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)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。此時其顯示誤差可用下式表示：

E=ω/c-1

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)此可計算出渦輪流量計顯示誤差E，并畫出相應(yīng)曲線。

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振幅和頻率，通過對多幅圖形的比較，發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律：

1)從曲線分布的象限來看，脈動流導(dǎo)致渦輪流量計出現(xiàn)一個正誤差。當(dāng)流體存在脈動時，在加速流體中，葉片的轉(zhuǎn)動慣量能引起轉(zhuǎn)子速度變慢，落后于定常流時的轉(zhuǎn)速；在減速流體中，葉片的轉(zhuǎn)動慣量能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度加快，超過定常流時的轉(zhuǎn)速。由于加速時的影響比減速時的影響小得多，因此，脈動流存在時流量計顯示的平均流速遠(yuǎn)大于平均流量，出現(xiàn)正誤差，此誤差有時*大可達(dá)50%。

2)當(dāng)脈動頻率fp小于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時，流量計類似輸入脈沖，測量結(jié)果接近真值，脈動流所引起的誤差很小。當(dāng)脈動頻率fp大于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時，響應(yīng)失真，會引起較大誤差，且隨著頻率的增大，誤差隨著增大，*終趨于穩(wěn)定(如圖1，圖2)。

3)當(dāng)脈動頻率大于渦輪轉(zhuǎn)子的角加速度時，頻率脈動振幅的變化能引起渦輪流量計的測量誤差產(chǎn)生大的改變，此誤差隨著脈動振幅的增大而升高，*大可達(dá)50%，但*終趨于穩(wěn)定(如圖3，圖4，a為脈動振幅與穩(wěn)態(tài)振幅之比)。

3、結(jié) 論

從以上分析計算可知，脈動流使渦輪流量計產(chǎn)生一個正的系統(tǒng)誤差，該誤差受脈動頻率和振幅的影響。當(dāng)脈動頻率小于角加速度時，其誤差可認(rèn)為為零；當(dāng)脈動振幅小于某一振幅值時，其誤差亦可認(rèn)為不影響渦輪流量計的精度。脈動流對渦輪流量計測量精確度的影響存在*限值。