所謂動流是指流體在
渦輪流量計測量區(qū)域的流速是時間的函數(shù)，但在個足夠長的時間段內(nèi)有個恒定的平均值，這個值取決于動流的流動規(guī)律。動流分為周期性動流和隨機動流，通常提及的動流大多指周期性動流。隨機動流體通常在速度、壓力和溫度上出現(xiàn)連續(xù)的、無規(guī)則的、隨機的波動。導致波動產(chǎn)生的原因有多種，可因旋轉(zhuǎn)動力機械，如旋轉(zhuǎn)或往復式發(fā)動機、壓縮機和鼓風機或水泵造成，可由工作管道的振動、別是共振造成，也可由流量控制器的周期性動作和調(diào)節(jié)器的往復開關及流體管道裝置、閥門或旋轉(zhuǎn)的機械裝置等分流造成，還可因流體系統(tǒng)的幾何征而引起的流體力學振動和多段流而引起。動流的存在會導致流量計出現(xiàn)測量誤差，甚不能正常工作，其中尤以差壓式流量計、渦輪流量計和渦街流量計對其為敏感。如何校正或減少動對流量測量性的響，是流量測量中比較重要的課題。本文對按正弦規(guī)律變化的動流對渦輪流量計的測量誤差的響做了探討。
動流無時無處不在，但動流的測量卻非常困難，我們通常測量出動流的主要參數(shù)，例如動流的幅值、頻率和波形，然后通過這些參數(shù)分析動流可能給流量計造成的響。通常主要的測量方法有非接觸方法和接觸方法。非接觸方法包括光學方法和聲學方法。光學方法主要采用LDA，此技術可測出管軸線處的點速度，并對動振幅和波形做出估算。聲學方法主要采用多普勒頻移，該技術僅用于液體，其傳送器和接受器安裝在管道外壁，可根據(jù)其測得的充分發(fā)展的瞬時速度剖面計算其動性。接觸方法主要是熱線風速儀法，可用來測量動流的點速度，它具有足夠的測量頻寬，可采用在線計算機顯示流速的動量[1，2]。
動氣體流對渦輪流量計測量誤差響的理論分析
渦輪流量計以動量矩守恒原理為基礎，是種速度式流量儀表。對氣體流量而言，如果已知其流動速度v和渦輪流量計轉(zhuǎn)子葉片中心的切線速度w，則二之間的關系可由下列非線性微分方程確定[3]。
式中，C為流量計常數(shù)，θ為葉片與轉(zhuǎn)子中心軸線之間的夾角，通常取其為45°方程（1）假定渦輪加速所需的旋轉(zhuǎn)力矩由氣體動流所引起的變化力矩來提供，忽略磨擦。
對定常流，w=v，但是當氣體流動速度從它的平均值v0開始發(fā)生變化時，渦輪速度與流體速度會出現(xiàn)短暫差異，從而引起流量計出現(xiàn)測量誤差。
為了解式（1）對動振幅αv0（α為動強度，取值在0與1之間）的響應，對式（1）進行拉氏變換，得到
CsL（s）-C0+vL（s）=v2/s
其中，s為拉氏變換變量。對上式進行拉氏反變換，并代入v=（1±α）v0，整理后得到：
式中，τ1=c/[（1±α）v0]。
從式（2）可知，時間常數(shù)τ1與平均流速v0、動強度α有關。流體速度增大會引起τ1發(fā)生變化，但τ1的變化率比速度的變化率要小些，因此，周期性動將導致儀表讀數(shù)出現(xiàn)個正的誤差。
為估計動流所引起的流量計測量誤差，假定動流按正弦規(guī)律變化，并可表示為：
v=v0（1+sinωt） （3）
對方程（1），要解出其對正弦輸入的響應比較困難，但是有實驗結(jié)果表明，輸入個正弦變化的動，渦輪的速度響應也呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律。因此，渦輪速度的變化可近似表示為：
w=v0+Δw0+kv0sin（ωt+φ） （4）
式中，Δw0是由動引起的流量計平均讀數(shù)誤差；k是與動振幅有關的渦輪轉(zhuǎn)子的速度因子；φ為相移。
將式（3）、式（4）代入式（1）中，忽略所有的次諧波，對正弦動輸入的響應的標準化形式可表示為：
式中，τ=C/v0。
從式（5）可知，由動引起的誤差取決于動振幅αv0、平均流速v0。以及流量計常數(shù)C。當ω趨向無窮大時，相對誤差趨向值α2/2，此值取決于α，當動振幅為動振幅（α=1）時，的相對誤差可達50%。
以動頻率ω與儀表時間常數(shù)τ的乘積為對數(shù)橫坐標，以流量計相對誤差為縱坐標，畫出式（5）的變化曲線，如圖1中實線所示。圖中實線為理論計算曲線，虛線為實驗結(jié)果曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律：
1）由于曲線僅出現(xiàn)在象限，可知動流只能導致渦輪流量計葉片轉(zhuǎn)速出現(xiàn)個正誤差。從物理角度來看，當流體存在動時，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)動慣量能導致轉(zhuǎn)子速度加快，過定常流時的轉(zhuǎn)速。由于加速時的響比減速時的響小得多，因此，動流存在時流量計顯示值遠大于平均流量，出現(xiàn)正誤差，與以上理論推導相吻合。
2）當ωτ<0.1時，誤差很小，可以忽略。
3）當0.1≤ωτ≤5時，誤差取決于動強度和頻率。
4）當ωτ>5時，誤差達到值，此值的大小僅由動強度α來決定。
3 實驗與結(jié)果
采用蘇州華陸儀器儀表有限公司型號為LWQ100的氣體渦輪流量計進行測試分析，圖2為實驗裝置示意圖。壓縮空氣從來流方向進入裝置，經(jīng)過整流器后進入標準孔板，經(jīng)足夠長的管道后，到動發(fā)生器，在定信號作用下動發(fā)生器產(chǎn)生按定規(guī)律變化的動流，該動流經(jīng)流量調(diào)節(jié)器后進入渦輪流量計。標準孔板采用圖3所示測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用可換孔板的節(jié)流裝置，確保孔板在管道中的垂直度和同心度符合家標準；信號轉(zhuǎn)換部分應用K系列差壓變送器，能對現(xiàn)場壓力、溫度、雷諾數(shù)進行在線補償，采樣時間為10μs，計算周期為5s。動發(fā)生器采用變頻調(diào)速器控制，控制信號的頻率范圍為2~50Hz，動振幅可達1000%。
實驗結(jié)果如圖1中虛線所示。從圖中可以看出，實驗結(jié)果與數(shù)值計算基本吻合，尤其是在ωτ增大5后，理論計算與實驗數(shù)據(jù)基本重合。
