摘 要：對(duì)漩渦流動(dòng)、脈動(dòng)流、黏度等因素影響渦輪流量計(jì)特性的機(jī)理進(jìn)行了討論，對(duì)相關(guān)補(bǔ)償測(cè)量精度的方法進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際工程中渦輪流量計(jì)安裝的基本原則進(jìn)行了總結(jié)。
  渦輪流量計(jì)是一種速度式流量測(cè)量?jī)x表， 具有高精度、寬量程、脈沖輸出等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程被廣泛應(yīng)用^［1-4］。 由于被測(cè)對(duì)象的流動(dòng)狀態(tài)和黏度等因素會(huì)對(duì)渦輪流量計(jì)的特性造成較大影響， 因此如不采取相應(yīng)修正措施，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。 可見(jiàn)，了解和掌握各類(lèi)因素對(duì)渦輪流量計(jì)特性的影響機(jī)理，并研究補(bǔ)償措施， 對(duì)提高渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度具有重要意義。

1、流量測(cè)量精度影響因素：
1.1、渦輪流量計(jì)原理：
  渦輪流量計(jì)的原理如圖 1 所示，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。渦輪流量計(jì)主要由殼體組件、葉輪組件、前后導(dǎo)向架組件、壓緊圈和帶前置放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器等組成。在被測(cè)流體沖擊下，渦輪沿管道軸向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，流量大則渦輪轉(zhuǎn)速也大。磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器將渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，送入顯示儀表進(jìn)行累積和顯示。  根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)，即可求出瞬時(shí)流量和累積流量。
   在一定流量和流體黏度范圍內(nèi)， 渦輪流量計(jì)輸出的信號(hào)脈沖頻率 F 與通過(guò)渦輪流量計(jì)的體積流量 q_v成正比，即：
 

 
式中：K 為渦輪流量計(jì)儀表常數(shù)，1/L。

▲圖 2  渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)
將測(cè)得的信號(hào)脈沖頻率除以儀表常數(shù)， 即可得到體積流量。
   渦輪流量計(jì)的理想工作狀態(tài)是儀表常數(shù) K 為常數(shù)， 但實(shí)際使用中渦輪流量計(jì)的儀表常數(shù)與體積流量呈函數(shù)關(guān)系，即 K=f（q_v），影響該函數(shù)關(guān)系的主要因素有外部流狀態(tài)、流體黏度等，因此在實(shí)際使用時(shí)，需要考慮消除或修正這些因素的影響^［5］。
 
1.2、外部流狀態(tài)對(duì)渦輪流量計(jì)特性的影響：
  渦輪流量計(jì)的性能在實(shí)際使用中會(huì)受到漩渦流動(dòng)、脈動(dòng)流等的影響。漩渦流動(dòng)狀態(tài)與上游管道狀況有關(guān)，脈動(dòng)流則由壓氣機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)式機(jī)械等產(chǎn)生，會(huì)影響渦輪流量計(jì)的特性。
 
1.2.1、漩渦流動(dòng)：
  漩渦流動(dòng)會(huì)直接影響渦輪流量計(jì)葉片的受力情況，進(jìn)而對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。針對(duì)漩渦流動(dòng)對(duì)渦輪流量計(jì)的影響，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張新平將管道內(nèi)有旋轉(zhuǎn)流存在的流場(chǎng)作為研究對(duì)象，研究了旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、渦輪流量計(jì)儀表精度與上游直管段長(zhǎng)度之間的關(guān)系， 得到了旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度與上游直管段的關(guān)系：
 

 
式中：S_w 為旋轉(zhuǎn)因數(shù)， 用于表征漩渦強(qiáng)度；b 和 c 為與流體性質(zhì)、雷諾數(shù)和流量有關(guān)的常數(shù)，需要通過(guò)試驗(yàn)確定， 對(duì)于不可壓縮流體，b 取值為 0.030～0.085，c 取值為 0.10～0.50；x 為上游直管段長(zhǎng)度 X 與上游直管段直徑 D 的比值。
 
儀表精度 δ 與 x 的關(guān)系為：

式中：α、d 為待定因數(shù)；K₀ 為出廠所標(biāo)定的儀表常數(shù)。
 
將試驗(yàn)所得 b、c 值代入式（2），可知隨著上游直管段長(zhǎng)度的增加，漩渦流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流強(qiáng)度會(huì)隨之衰減，即S_w 值變小。 由式（3）可知，渦輪流量計(jì)越靠近漩渦流動(dòng)的源頭，渦輪流量計(jì)的精度就越差，即 x 越小，δ 越大。因此，在安裝渦輪流量計(jì)時(shí)，增加其上游直管段長(zhǎng)度以削弱漩渦流動(dòng)對(duì)渦輪流量計(jì)精度的影響是有益的。
  應(yīng)啟戛等^［6］對(duì)渦輪流量計(jì)在漩渦流動(dòng)中的特性進(jìn)行了研究， 計(jì)算了上游直管段長(zhǎng)度變化時(shí)儀表常數(shù)的變化情況。 圖 3 為 X=3D、X=9D、X=15D 時(shí)，渦輪流量計(jì)分別在正旋來(lái)流、負(fù)旋來(lái)流的條件下，儀表常數(shù)隨體積流量的變化趨勢(shì)。由圖 3 可看出：渦輪流量計(jì)上游直管段越長(zhǎng)，漩渦流動(dòng)對(duì)儀表常數(shù)影響就越小，這一趨勢(shì)與張新平所得結(jié)論一致； 正旋轉(zhuǎn)來(lái)流會(huì)使儀表常數(shù)偏大，而負(fù)旋轉(zhuǎn)則會(huì)使儀表常數(shù)偏小。
 
1.2.2、脈動(dòng)流：
  脈動(dòng)流指流體在測(cè)量區(qū)域流速是時(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。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)進(jìn)口脈動(dòng)流脈動(dòng)頻率對(duì)渦輪流量計(jì)的影響規(guī)律進(jìn)行了一系列研究， 并得出進(jìn)口脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差的影響規(guī)律^［7］。 圖 4 為李文、應(yīng)啟戛^［8］針對(duì)進(jìn)口脈動(dòng)流不同的脈動(dòng)頻率對(duì)測(cè)量誤差的影響進(jìn)行研究所得到的結(jié)果，由圖 4 可以看出：進(jìn)口脈動(dòng)流會(huì)導(dǎo)致渦輪流量計(jì)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)正誤差， 即測(cè)量值與真值相比偏大； 當(dāng)進(jìn)口脈動(dòng)流的脈動(dòng)頻率小于渦輪流量計(jì)葉輪角頻率時(shí)，渦輪流量計(jì)測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)值，進(jìn)口脈動(dòng)流所引起的測(cè)量誤差很小； 當(dāng)進(jìn)口脈動(dòng)流的脈動(dòng)頻率大于渦輪流量計(jì)葉輪角頻率時(shí)， 進(jìn)口脈動(dòng)流所引起的測(cè)量誤差則較大。

▲圖 3  正負(fù)旋來(lái)流對(duì)渦輪流量計(jì)儀表常數(shù)的影響

▲圖 4  脈動(dòng)頻率對(duì)測(cè)量精度的影響趨勢(shì)

1.3、黏度對(duì)渦輪流量計(jì)特性的影響：
  渦輪流量計(jì)在使用過(guò)程中， 當(dāng)被測(cè)流體黏度與標(biāo)定流體黏度不相同時(shí)，也會(huì)引起誤差。 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，盡管被測(cè)流體黏度變化極其微小， 但渦輪流量計(jì)的性能卻會(huì)發(fā)生很大變化。 圖 5 所示為渦輪流量計(jì)測(cè)量不同黏度（1 cSt=1 mm²/s）時(shí)儀表常數(shù)隨體積流量的變化趨勢(shì)。

▲圖 5 不同黏度時(shí)渦輪流量計(jì)典型特性曲線
  由圖 5 可知，當(dāng)被測(cè)流體黏度從小逐漸增大時(shí)，渦輪流量計(jì)的線性測(cè)量區(qū)間隨之減小。 線性區(qū)間表示儀表常數(shù)基本不隨體積流量的變化而變化。 當(dāng)被測(cè)流體黏度較大，在 47～170 cSt 區(qū)間段時(shí)，渦輪流量計(jì)的特性曲線甚至不會(huì)出現(xiàn)線性區(qū)間^［9］。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究， 但目前仍然沒(méi)有一套詳細(xì)完整的理論可以描述被測(cè)流體黏度變化對(duì)渦輪流量計(jì)特性的影響規(guī)律。 已有研究得到的被測(cè)流體黏度變化影響渦輪流量計(jì)特性的重要結(jié)論如下：被測(cè)流體黏度會(huì)影響流體進(jìn)入渦輪流量計(jì)葉輪之前的速度剖面，從而影響渦輪流量計(jì)的特性；被測(cè)流體黏度對(duì)渦輪流量計(jì)葉輪前流體軸向流速分布有影響， 從而影響渦輪流量計(jì)的特性；在測(cè)量低黏度流體時(shí)，主要是渦輪流量計(jì)上游流體速度剖面的變化對(duì)儀表常數(shù)產(chǎn)生影響；在測(cè)量高黏度流體時(shí)，由被測(cè)流體黏度和渦輪流量計(jì)葉輪阻礙作用而引起的葉輪前流體軸向流速的重新分布對(duì)儀表常數(shù)的影響， 比渦輪流量計(jì)上游流體速度剖面變化對(duì)儀表常數(shù)的影響更大^［9-10］。
 
 
2、修正外部因素影響的方法：
2.1、外部流狀態(tài)影響消除與修正：
 渦輪流量計(jì)特性曲線要保持良好的線性關(guān)系，流過(guò)渦輪流量計(jì)的流體應(yīng)為充分發(fā)展的流型， 即管道內(nèi)流體流速基本趨于穩(wěn)定，以消除漩渦流、脈動(dòng)流等的影響。為保證流經(jīng)渦輪流量計(jì)的流體充分發(fā)展，在渦輪流量計(jì)上下游均應(yīng)有足夠長(zhǎng)的直管段， 這樣流體才能形成充分發(fā)展的流型。但是由于安裝條件的限制，充分發(fā)展的流型往往難以形成， 因而會(huì)影響渦輪流量計(jì)的性能。學(xué)者們從兩個(gè)方面進(jìn)行了大量研究，以消除或補(bǔ)償這一影響， 一方面研究渦輪流量計(jì)對(duì)應(yīng)不同的上游管配件所需的實(shí)際上下游直管段長(zhǎng)度， 另一方面研究在無(wú)法達(dá)到所需上下游直管段長(zhǎng)度時(shí)對(duì)流量計(jì)特性的影響及相應(yīng)補(bǔ)償方法。

 
2.2.1 軟件補(bǔ)償法
 
軟件補(bǔ)償法主要通過(guò)理論和試驗(yàn)研究來(lái)得到黏度影響修正算法，目前應(yīng)用比較廣泛的是通用曲線法。這
 
一方法通過(guò)量綱關(guān)聯(lián)分析方法得到一個(gè)無(wú)量綱的流體黏度和體積流量之間的 G 函數(shù)關(guān)系式：

 
  式中：q_v 為流體的體積流量，m³/s；v 為被測(cè)流體的黏度，m²/s。
 
  經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，式（5）在渦輪流量計(jì)黏度修正方面是行之有效的，但是在測(cè)量微小流量時(shí)偏差很大。
 
  各種黏度修正算法的共同點(diǎn)是必須預(yù)先知道被測(cè)流體的黏度，然而一般直接測(cè)量流體的黏度比較困難，通常采用實(shí)時(shí)測(cè)量流體溫度， 再通過(guò)黏度與溫度的關(guān)系式換算出黏度。由于溫度對(duì)黏度影響較大，因此溫度測(cè)量精度、 黏度計(jì)算精度均會(huì)對(duì)渦輪流量計(jì)黏度補(bǔ)償?shù)木扔兴绊懀?nbsp;這同時(shí)導(dǎo)致了軟件補(bǔ)償法的精度一般不是很高。
 
 
2.2.2、硬件補(bǔ)償法：
   被測(cè)流體黏度變化影響渦輪流量計(jì)性能的機(jī)理如下：被測(cè)流體黏度變化引起雷諾數(shù)變化，從而引起渦輪流量計(jì)葉片入口環(huán)形通道橫截面上的流體速度剖面變化，該速度剖面變化會(huì)導(dǎo)致渦輪流量計(jì)性能變化，進(jìn)而對(duì)儀表常數(shù)造成影響。因此，優(yōu)化渦輪流量計(jì)外殼內(nèi)壁葉輪前面部分的形狀、 減小流體速度剖面隨被測(cè)流體黏度的變化， 是從硬件角度降低渦輪流量計(jì)對(duì)被測(cè)流體黏度變化敏感度的重要研究方向。
  另一方面， 渦輪流量計(jì)的葉片頂端與傳感器外殼之間間隙的變化對(duì)渦輪流量計(jì)性能也有很大影響。 被測(cè)流體黏度變化時(shí)， 渦輪流量計(jì)的葉片頂隙中流動(dòng)阻力發(fā)生變化， 使渦輪流量計(jì)葉片的流體體積流量也發(fā)生變化，渦輪流量計(jì)葉輪轉(zhuǎn)速隨之受到影響。適當(dāng)選擇間隙大小， 能起到降低渦輪流量計(jì)對(duì)被測(cè)流體黏度變化敏感度的作用。
  渦輪流量計(jì)性能還受渦輪流量計(jì)葉片表面被測(cè)流體黏性阻力矩的影響。 渦輪流量計(jì)葉片表面黏性阻力的圓周向分量決定了渦輪流量計(jì)葉輪阻力矩的大小，也會(huì)間接影響渦輪流量計(jì)葉輪的轉(zhuǎn)速。 優(yōu)化渦輪流量計(jì)葉片幾何參數(shù)，減小黏性阻力矩，降低其受被測(cè)流體黏度變化影響， 同樣是降低渦輪流量計(jì)性能受被測(cè)流體黏度變化影響的途徑之一^{［7，9］}。

4、渦輪流量計(jì)廠家產(chǎn)品價(jià)格：
渦輪流量計(jì)價(jià)格：

渦輪流量計(jì)參數(shù)：

   4.1、產(chǎn)品說(shuō)明：

   LWQ系列氣體渦輪流量計(jì)是吸取了國(guó)內(nèi)外流量?jī)x表先進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合了氣體力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等理論而自行研制開(kāi)發(fā)的集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體的新一代高精度、高可靠性的氣體精密計(jì)量?jī)x表，具有出色地低壓和高壓計(jì)量性能，多種信號(hào)輸出方式以及對(duì)流體擾動(dòng)的低敏感性，廣泛適用于天然氣、煤制氣、液化氣、輕炔氣等氣體的計(jì)量。

  該產(chǎn)品經(jīng)防爆產(chǎn)品質(zhì)檢部門(mén)按GB3836.2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部：通用要求》 ，GB3836.2-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第2部分：隔爆型“d”》和GB3836.4-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分：本質(zhì)安全型“i”》標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)合格，防爆標(biāo)志為ExdⅡBT6（隔爆型）、ExiaⅡCT6（本安型）。適用于含有ⅡA、ⅡB、ⅡC類(lèi)T1～T6溫度組別爆炸性氣體混合物的0（僅本安型）、1、2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。

  4.2、產(chǎn)品特點(diǎn)：

n 優(yōu)質(zhì)合金渦輪，具有更高的穩(wěn)流和耐腐蝕作用 

n 進(jìn)口優(yōu)質(zhì)專用軸承，使用壽命長(zhǎng) 

n 計(jì)量室與通氣室隔絕，保證了儀表的安全性 

n 可檢測(cè)被測(cè)氣體的溫度、壓力和流量，能進(jìn)行流量自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，并顯示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（Pb=101.325KPa,Tb=293.15K）的氣體體積累積量；可實(shí)時(shí)查詢溫度壓力數(shù)值 

n 流量范圍寬（Qmax/Qmin≥20:1)，重復(fù)性好，精度高（可達(dá)1.0級(jí)），壓力損失小，始動(dòng)流量低，可達(dá)0.6m3/h 

n 智能化儀表系數(shù)多點(diǎn)非線性修正 

n 內(nèi)置式壓力、溫度傳感器，安全性能高、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀 

n 儀表具有防爆及防護(hù)功能，防爆標(biāo)志為ExdⅡBT4、ExiaⅡCT4， 防護(hù)等級(jí)為IP65 

n 系統(tǒng)低功耗工作，一節(jié)3.2V10AH鋰電池可連續(xù)使用3年以上 

n 儀表系數(shù)、累計(jì)流量值掉電十年不丟

    4.3、工作原理:

   當(dāng)流體流入流量計(jì)時(shí)，在進(jìn)氣口專用一體化整流器的作用下得到整流并加速，由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，此時(shí)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，在克服摩擦力矩和流體阻力矩后，渦輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi)，渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度與流體體積流量成正比。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用磁敏傳感器從同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)輪上感應(yīng)出與流體體積流量成正比的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后與溫度、壓力傳感器信號(hào)一起進(jìn)入智能流量積算儀的微處理單元進(jìn)行運(yùn)算處理，并把氣體的體積流量和總量直接顯示于LCD屏上

  4.4、技術(shù)參數(shù)：

4．5 基本參數(shù)： 

表1

4．6 精度等級(jí)：1.0級(jí)、1.5級(jí) 

4．7 使用條件： 

◆ 環(huán)境溫度：-30℃～+60℃；    ◆ 大氣壓力：86KPa～106KPa； 

◆ 介質(zhì)溫度：-30℃～+80℃；    ◆ 相對(duì)濕度：5%～95%

4．8  電氣性能指標(biāo)：

表2

5、結(jié)束語(yǔ):
 渦輪流量計(jì)在體積流量測(cè)量方面有諸多優(yōu)點(diǎn)，為保證其測(cè)量精度，需要注意以下事項(xiàng)：安裝時(shí)為盡可能避免外部來(lái)流的影響， 需按工藝要求保證足夠長(zhǎng)的上下游直管段；對(duì)影響渦流流量計(jì)特性的漩渦流動(dòng)、脈動(dòng)流、黏度等因素，需要進(jìn)行必要的補(bǔ)償。