摘要：本文對(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)誤差的編程計(jì)算，總結(jié)并驗(yàn)證了脈動(dòng)流對(duì)脈沖輸出渦輪流量計(jì)誤差的影響規(guī)律。

1、引言

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。脈動(dòng)流的存在會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)出現(xiàn)計(jì)量誤差，甚至不能正常工作。如何校正或減少脈動(dòng)對(duì)流量測(cè)量特性的影響，是流量測(cè)量中比較重要的課題。

2、脈動(dòng)對(duì)渦輪流量計(jì)流量測(cè)量的影響

2.1誤差方程及其計(jì)算

應(yīng)用機(jī)翼理論來(lái)分析作用在渦輪轉(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(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)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。此時(shí)其顯示誤差可用下式表示：

E=ω/c-1

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)此可計(jì)算出渦輪流量計(jì)顯示誤差E，并畫(huà)出相應(yīng)曲線。

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)流的振幅和頻率，通過(guò)對(duì)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(lái)看，脈動(dòng)流導(dǎo)致渦輪流量計(jì)出現(xiàn)一個(gè)正誤差。當(dāng)流體存在脈動(dòng)時(shí)，在加速流體中，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能引起轉(zhuǎn)子速度變慢，落后于定常流時(shí)的轉(zhuǎn)速；在減速流體中，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度加快，超過(guò)定常流時(shí)的轉(zhuǎn)速。由于加速時(shí)的影響比減速時(shí)的影響小得多，因此，脈動(dòng)流存在時(shí)流量計(jì)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(shí)*大可達(dá)50%。

2)當(dāng)脈動(dòng)頻率fp小于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時(shí)，流量計(jì)類似輸入脈沖，測(cè)量結(jié)果接近真值，脈動(dòng)流所引起的誤差很小。當(dāng)脈動(dòng)頻率fp大于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時(shí)，響應(yīng)失真，會(huì)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(dòng)頻率大于渦輪轉(zhuǎn)子的角加速度時(shí)，頻率脈動(dòng)振幅的變化能引起渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差產(chǎn)生大的改變，此誤差隨著脈動(dòng)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(dòng)振幅與穩(wěn)態(tài)振幅之比)。

3、結(jié) 論

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