渦輪流量計特性影響因素分析 發布時間：2018-03-05
渦輪流量計是一種速度式流量測量儀表，具有高精度、寬量程、脈沖輸出等優點，在工業生產過程被廣泛應用［1-4］。由于被測對象的流動狀態和黏度等因素會對渦輪流量計的特性造成較大影響，因此如不采取相應修正措施，會導致測量結果產生較大誤差。可見，了解和掌握各類因素對渦輪流量計特性的影響機理，并研究補償措施，對提高渦輪流量計的測量精度具有重要意義。 1流量測量精度影響因素 1.1渦輪流量計原理 渦輪流量計的原理如圖1所示，結構如圖2所示。渦輪流量計主要由殼體組件、葉輪組件、前后導向架組件、壓緊圈和帶前置放大器的磁電感應轉換器等組成。在被測流體沖擊下，渦輪沿管道軸向旋轉，其旋轉速度隨流量的變化而變化，流量大則渦輪轉速也大。磁電感應轉換器將渦輪的轉速轉換為相應頻率的電脈沖，送入顯示儀表進行累積和顯示。根據單位時間內脈沖數和累積脈沖數，即可求出瞬時流量和累積流量。 在一定流量和流體黏度范圍內，渦輪流量計輸出的信號脈沖頻率F與通過渦輪流量計的體積流量qv成正比，即： F=Kqv（1） 式中：K為渦輪流量計儀表常數，1/L。 將測得的信號脈沖頻率除以儀表常數，即可得到體積流量。 渦輪流量計的理想工作狀態是儀表常數K為常數，但實際使用中渦輪流量計的儀表常數與體積流量呈函數關系，即K=f（qv），影響該函數關系的主要因素有外部流狀態、流體黏度等，因此在實際使用時，需要考慮消除或修正這些因素的影響［5］。 1.2外部流狀態對渦輪流量計特性的影響 渦輪流量計的性能在實際使用中會受到漩渦流動、脈動流等的影響。漩渦流動狀態與上游管道狀況有關，脈動流則由壓氣機、鼓風機、旋轉式機械等產生，會影響渦輪流量計的特性。 1.2.1漩渦流動 漩渦流動會直接影響渦輪流量計葉片的受力情況，進而對測量精度產生影響。針對漩渦流動對渦輪流量計的影響，學者們進行了大量研究。 將管道內有旋轉流存在的流場作為研究對象，研究了旋轉強度、渦輪流量計儀表精度與上游直管段長度之間的關系，得到了旋轉強度與上游直管段的關系： Sw=be-cx（2） 式中：Sw為旋轉因數，用于表征漩渦強度；b和c為與流體性質、雷諾數和流量有關的常數，需要通過試驗確定，對于不可壓縮流體，b取值為0.030～0.085，c取值為0.10～0.50；x為上游直管段長度X與上游直管段直徑D的比值。 儀表精度δ與x的關系為： 式中：α、d為待定因數；K0為出廠所標定的儀表常數。 將試驗所得b、c值代入式（2），可知隨著上游直管段長度的增加，漩渦流動的旋轉流強度會隨之衰減，即Sw值變小。由式（3）可知，渦輪流量計越靠近漩渦流動的源頭，渦輪流量計的精度就越差，即x越小，δ越大。因此，在安裝渦輪流量計時，增加其上游直管段長度以削弱漩渦流動對渦輪流量計精度的影響是有益的。 對渦輪流量計在漩渦流動中的特性進行了研究，計算了上游直管段長度變化時儀表常數的變化情況。圖3為X=3D、X=9D、X=15D時，渦輪流量計分別在正旋來流、負旋來流的條件下，儀表常數隨體積流量的變化趨勢。由圖3可看出：渦輪流量計上游直管段越長，漩渦流動對儀表常數影響就越小，這一趨勢與張新平所得結論一致；正旋轉來流會使儀表常數偏大，而負旋轉則會使儀表常數偏小。 1.2.2脈動流 脈動流指流體在測量區域流速是時間的函數，但在一個足夠長的時間段內有一個恒定的平均值。國內外學者針對進口脈動流脈動頻率對渦輪流量計的影響規律進行了一系列研究，并得出進口脈動流對渦輪流量計測量誤差的影響規律［7］。圖4為李文、應啟戛［8］針對進口脈動流不同的脈動頻率對測量誤差的影響進行研究所得到的結果，由圖4可以看出：進口脈動流會導致渦輪流量計測量結果出現正誤差，即測量值與真值相比偏大；當進口脈動流的脈動頻率小于渦輪流量計葉輪角頻率時，渦輪流量計測量結果接近真實值，進口脈動流所引起的測量誤差很小；當進口脈動流的脈動頻率大于渦輪流量計葉輪角頻率時，進口脈動流所引起的測量誤差則較大。 1.3黏度對渦輪流量計特性的影響 渦輪流量計在使用過程中，當被測流體黏度與標定流體黏度不相同時，也會引起誤差。通過研究發現，盡管被測流體黏度變化極其微小，但渦輪流量計的性能卻會發生很大變化。圖5所示為渦輪流量計測量不同黏度（1cSt=1mm2/s）時儀表常數隨體積流量的變化趨勢。 由圖5可知，當被測流體黏度從小逐漸增大時，渦輪流量計的線性測量區間隨之減小。線性區間表示儀表常數基本不隨體積流量的變化而變化。當被測流體黏度較大，在47～170cSt區間段時，渦輪流量計的特性曲線甚至不會出現線性區間［9］。 2修正外部因素影響的方法 2.1外部流狀態影響消除與修正 渦輪流量計特性曲線要保持良好的線性關系，流過渦輪流量計的流體應為充分發展的流型，即管道內流體流速基本趨于穩定，以消除漩渦流、脈動流等的影響。為保證流經渦輪流量計的流體充分發展，在渦輪流量計上下游均應有足夠長的直管段，這樣流體才能形成充分發展的流型。但是由于安裝條件的限制，充分發展的流型往往難以形成，因而會影響渦輪流量計的性能。學者們從兩個方面進行了大量研究，以消除或補償這一影響，一方面研究渦輪流量計對應不同的上游管配件所需的實際上下游直管段長度，另一方面研究在無法達到所需上下游直管段長度時對流量計特性的影響及相應補償方法。 對于工程測量而言，一般要求上游直管段長度≥20Dn，下游直管段長度≥5Dn，Dn為渦輪流量計口徑。上游直管段長度的計算式為： X=0.35KnDn/μ（4） 式中：μ為管道內摩擦因數；Kn為漩渦速度比［1］，由渦輪流量計上游管線特征確定。 表1為典型管線結構的Kn值 在上游直管段長度無法達到流場充分發展所需的長度時，需要從漩渦、脈動流等外部流造成的影響規律角度出發，獲得修正曲線或公式。針對脈動流和上游速度剖面、漩渦流動等問題，國內外學者提出了不同的測量模型和測量方法。 2.2黏度影響消除與修正 針對流體黏度對渦輪流量計測量性能影響的問題，國內外學者進行了大量研究，這些研究從方法上而言可分為兩大類：一類著眼于對現有渦輪流量計的研究，通過試驗結合理論推導得到黏性修正曲線，以得到不同流體黏性時的體積流量轉換關系，稱為軟件補償法；另一類著重于設計出盡可能消除黏性影響的渦輪流量計，以避開由于標定流體與工作流體黏性不同所引起的誤差，稱為硬件補償法。 2.2.1軟件補償法 軟件補償法主要通過理論和試驗研究來得到黏度影響修正算法，目前應用比較廣泛的是通用曲線法。這一方法通過量綱關聯分析方法得到一個無量綱的流體黏度和體積流量之間的G函數關系式： 式中：qv為流體的體積流量，m3/s；v為被測流體的黏度，m2/s。 經過驗證，式（5）在渦輪流量計黏度修正方面是行之有效的，但是在測量微小流量時偏差很大。 各種黏度修正算法的共同點是必須預先知道被測流體的黏度，然而一般直接測量流體的黏度比較困難，通常采用實時測量流體溫度，再通過黏度與溫度的關系式換算出黏度。由于溫度對黏度影響較大，因此溫度測量精度、黏度計算精度均會對渦輪流量計黏度補償的精度有所影響，這同時導致了軟件補償法的精度一般不是很高。 2.2.2硬件補償法 被測流體黏度變化影響渦輪流量計性能的機理如下：被測流體黏度變化引起雷諾數變化，從而引起渦輪流量計葉片入口環形通道橫截面上的流體速度剖面變化，該速度剖面變化會導致渦輪流量計性能變化，進而對儀表常數造成影響。因此，優化渦輪流量計外殼內壁葉輪前面部分的形狀、減小流體速度剖面隨被測流體黏度的變化，是從硬件角度降低渦輪流量計對被測流體黏度變化敏感度的重要研究方向。 另一方面，渦輪流量計的葉片頂端與傳感器外殼之間間隙的變化對渦輪流量計性能也有很大影響。被測流體黏度變化時，渦輪流量計的葉片頂隙中流動阻力發生變化，使渦輪流量計葉片的流體體積流量也發生變化，渦輪流量計葉輪轉速隨之受到影響。適當選擇間隙大小，能起到降低渦輪流量計對被測流體黏度變化敏感度的作用。 渦輪流量計性能還受渦輪流量計葉片表面被測流體黏性阻力矩的影響。渦輪流量計葉片表面黏性阻力的圓周向分量決定了渦輪流量計葉輪阻力矩的大小，也會間接影響渦輪流量計葉輪的轉速。優化渦輪流量計葉片幾何參數，減小黏性阻力矩，降低其受被測流體黏度變化影響，同樣是降低渦輪流量計性能受被測流體黏度變化影響的途徑之一［7，9］。 3結束語 渦輪流量計在體積流量測量方面有諸多優點，為保證其測量精度，需要注意以下事項：安裝時為盡可能避免外部來流的影響，需按工藝要求保證足夠長的上下游直管段；對影響渦流流量計特性的漩渦流動、脈動流、黏度等因素，需要進行必要的補償。
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