摘 要：对漩涡流动、脉动流、黏度等因素影响涡轮流量计特性的机理进行了讨论，对相关补偿测量精度的方法进行了介绍，并在此基础上对实际工程中涡轮流量计安装的基本原则进行了总结。
  涡轮流量计是一种速度式流量测量仪表， 具有高精度、宽量程、脉冲输出等优点，在工业生产过程被广泛应用^［1-4］。 由于被测对象的流动状态和黏度等因素会对涡轮流量计的特性造成较大影响， 因此如不采取相应修正措施，会导致测量结果产生较大误差。 可见，了解和掌握各类因素对涡轮流量计特性的影响机理，并研究补偿措施， 对提高涡轮流量计的测量精度具有重要意义。

1、流量测量精度影响因素：
1.1、涡轮流量计原理：
  涡轮流量计的原理如图 1 所示，结构如图 2 所示。涡轮流量计主要由壳体组件、叶轮组件、前后导向架组件、压紧圈和带前置放大器的磁电感应转换器等组成。在被测流体冲击下，涡轮沿管道轴向旋转，其旋转速度随流量的变化而变化，流量大则涡轮转速也大。磁电感应转换器将涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，送入显示仪表进行累积和显示。  根据单位时间内脉冲数和累积脉冲数，即可求出瞬时流量和累积流量。
   在一定流量和流体黏度范围内， 涡轮流量计输出的信号脉冲频率 F 与通过涡轮流量计的体积流量 q_v成正比，即：
 

F=Kqv

（1）

 
式中：K 为涡轮流量计仪表常数，1/L。

▲图 1

涡轮流量计原理

▲图 2  涡轮流量计结构
将测得的信号脉冲频率除以仪表常数， 即可得到体积流量。
   涡轮流量计的理想工作状态是仪表常数 K 为常数， 但实际使用中涡轮流量计的仪表常数与体积流量呈函数关系，即 K=f（q_v），影响该函数关系的主要因素有外部流状态、流体黏度等，因此在实际使用时，需要考虑消除或修正这些因素的影响^［5］。
 
1.2、外部流状态对涡轮流量计特性的影响：
  涡轮流量计的性能在实际使用中会受到漩涡流动、脉动流等的影响。漩涡流动状态与上游管道状况有关，脉动流则由压气机、鼓风机、旋转式机械等产生，会影响涡轮流量计的特性。
 
1.2.1、漩涡流动：
  漩涡流动会直接影响涡轮流量计叶片的受力情况，进而对测量精度产生影响。针对漩涡流动对涡轮流量计的影响，学者们进行了大量研究。哈尔滨工业大学张新平将管道内有旋转流存在的流场作为研究对象，研究了旋转强度、涡轮流量计仪表精度与上游直管段长度之间的关系， 得到了旋转强度与上游直管段的关系：
 

Sw=be-cx

（2）

 
式中：S_w 为旋转因数， 用于表征漩涡强度；b 和 c 为与流体性质、雷诺数和流量有关的常数，需要通过试验确定， 对于不可压缩流体，b 取值为 0.030～0.085，c 取值为 0.10～0.50；x 为上游直管段长度 X 与上游直管段直径 D 的比值。
 
仪表精度 δ 与 x 的关系为：

δ=	K-K0	×100%=αe-dx	（3）
	K0

式中：α、d 为待定因数；K₀ 为出厂所标定的仪表常数。
 
将试验所得 b、c 值代入式（2），可知随着上游直管段长度的增加，漩涡流动的旋转流强度会随之衰减，即S_w 值变小。 由式（3）可知，涡轮流量计越靠近漩涡流动的源头，涡轮流量计的精度就越差，即 x 越小，δ 越大。因此，在安装涡轮流量计时，增加其上游直管段长度以削弱漩涡流动对涡轮流量计精度的影响是有益的。
  应启戛等^［6］对涡轮流量计在漩涡流动中的特性进行了研究， 计算了上游直管段长度变化时仪表常数的变化情况。 图 3 为 X=3D、X=9D、X=15D 时，涡轮流量计分别在正旋来流、负旋来流的条件下，仪表常数随体积流量的变化趋势。由图 3 可看出：涡轮流量计上游直管段越长，漩涡流动对仪表常数影响就越小，这一趋势与张新平所得结论一致； 正旋转来流会使仪表常数偏大，而负旋转则会使仪表常数偏小。
 
1.2.2、脉动流：
  脉动流指流体在测量区域流速是时间的函数，但在一个足够长的时间段内有一个恒定的平均值。 国内外学者针对进口脉动流脉动频率对涡轮流量计的影响规律进行了一系列研究， 并得出进口脉动流对涡轮流量计测量误差的影响规律^［7］。 图 4 为李文、应启戛^［8］针对进口脉动流不同的脉动频率对测量误差的影响进行研究所得到的结果，由图 4 可以看出：进口脉动流会导致涡轮流量计测量结果出现正误差， 即测量值与真值相比偏大； 当进口脉动流的脉动频率小于涡轮流量计叶轮角频率时，涡轮流量计测量结果接近真实值，进口脉动流所引起的测量误差很小； 当进口脉动流的脉动频率大于涡轮流量计叶轮角频率时， 进口脉动流所引起的测量误差则较大。

▲图 3  正负旋来流对涡轮流量计仪表常数的影响

▲图 4  脉动频率对测量精度的影响趋势

1.3、黏度对涡轮流量计特性的影响：
  涡轮流量计在使用过程中， 当被测流体黏度与标定流体黏度不相同时，也会引起误差。 通过研究发现，尽管被测流体黏度变化极其微小， 但涡轮流量计的性能却会发生很大变化。 图 5 所示为涡轮流量计测量不同黏度（1 cSt=1 mm²/s）时仪表常数随体积流量的变化趋势。

▲图 5 不同黏度时涡轮流量计典型特性曲线
  由图 5 可知，当被测流体黏度从小逐渐增大时，涡轮流量计的线性测量区间随之减小。 线性区间表示仪表常数基本不随体积流量的变化而变化。 当被测流体黏度较大，在 47～170 cSt 区间段时，涡轮流量计的特性曲线甚至不会出现线性区间^［9］。虽然国内外学者展开了大量研究， 但目前仍然没有一套详细完整的理论可以描述被测流体黏度变化对涡轮流量计特性的影响规律。 已有研究得到的被测流体黏度变化影响涡轮流量计特性的重要结论如下：被测流体黏度会影响流体进入涡轮流量计叶轮之前的速度剖面，从而影响涡轮流量计的特性；被测流体黏度对涡轮流量计叶轮前流体轴向流速分布有影响， 从而影响涡轮流量计的特性；在测量低黏度流体时，主要是涡轮流量计上游流体速度剖面的变化对仪表常数产生影响；在测量高黏度流体时，由被测流体黏度和涡轮流量计叶轮阻碍作用而引起的叶轮前流体轴向流速的重新分布对仪表常数的影响， 比涡轮流量计上游流体速度剖面变化对仪表常数的影响更大^［9-10］。
 
 
2、修正外部因素影响的方法：
2.1、外部流状态影响消除与修正：
 涡轮流量计特性曲线要保持良好的线性关系，流过涡轮流量计的流体应为充分发展的流型， 即管道内流体流速基本趋于稳定，以消除漩涡流、脉动流等的影响。为保证流经涡轮流量计的流体充分发展，在涡轮流量计上下游均应有足够长的直管段， 这样流体才能形成充分发展的流型。但是由于安装条件的限制，充分发展的流型往往难以形成， 因而会影响涡轮流量计的性能。学者们从两个方面进行了大量研究，以消除或补偿这一影响， 一方面研究涡轮流量计对应不同的上游管配件所需的实际上下游直管段长度， 另一方面研究在无法达到所需上下游直管段长度时对流量计特性的影响及相应补偿方法。  
2.2.1 软件补偿法
 
软件补偿法主要通过理论和试验研究来得到黏度影响修正算法，目前应用比较广泛的是通用曲线法。这
 
一方法通过量纲关联分析方法得到一个无量纲的流体黏度和体积流量之间的 G 函数关系式：

qv	=G（F	D2	）	（5）
FD3		v

 
  式中：q_v 为流体的体积流量，m³/s；v 为被测流体的黏度，m²/s。
 
  经过验证，式（5）在涡轮流量计黏度修正方面是行之有效的，但是在测量微小流量时偏差很大。
 
  各种黏度修正算法的共同点是必须预先知道被测流体的黏度，然而一般直接测量流体的黏度比较困难，通常采用实时测量流体温度， 再通过黏度与温度的关系式换算出黏度。由于温度对黏度影响较大，因此温度测量精度、 黏度计算精度均会对涡轮流量计黏度补偿的精度有所影响， 这同时导致了软件补偿法的精度一般不是很高。
 
 
2.2.2、硬件补偿法：
   被测流体黏度变化影响涡轮流量计性能的机理如下：被测流体黏度变化引起雷诺数变化，从而引起涡轮流量计叶片入口环形通道横截面上的流体速度剖面变化，该速度剖面变化会导致涡轮流量计性能变化，进而对仪表常数造成影响。因此，优化涡轮流量计外壳内壁叶轮前面部分的形状、 减小流体速度剖面随被测流体黏度的变化， 是从硬件角度降低涡轮流量计对被测流体黏度变化敏感度的重要研究方向。
  另一方面， 涡轮流量计的叶片顶端与传感器外壳之间间隙的变化对涡轮流量计性能也有很大影响。 被测流体黏度变化时， 涡轮流量计的叶片顶隙中流动阻力发生变化， 使涡轮流量计叶片的流体体积流量也发生变化，涡轮流量计叶轮转速随之受到影响。适当选择间隙大小， 能起到降低涡轮流量计对被测流体黏度变化敏感度的作用。
  涡轮流量计性能还受涡轮流量计叶片表面被测流体黏性阻力矩的影响。 涡轮流量计叶片表面黏性阻力的圆周向分量决定了涡轮流量计叶轮阻力矩的大小，也会间接影响涡轮流量计叶轮的转速。 优化涡轮流量计叶片几何参数，减小黏性阻力矩，降低其受被测流体黏度变化影响， 同样是降低涡轮流量计性能受被测流体黏度变化影响的途径之一^［7，9］。

4、涡轮流量计厂家产品价格：
涡轮流量计价格：

价格	¥ 200.00~6500.00
起批量	≥1 台

涡轮流量计参数：

加工定制	是	品牌	华云	型号	LWQ
类型	涡轮流量计	测量范围	其它（m3/h）	精度等级	1.5
公称通径	DN25-300（mm）	适用介质	气体	1	1
用途	测气体

   4.1、产品说明：

   LWQ系列气体涡轮流量计是吸取了国内外流量仪表先进技术经过优化设计，综合了气体力学、流体力学、电磁学等理论而自行研制开发的集温度、压力、流量传感器和智能流量积算仪于一体的新一代高精度、高可靠性的气体精密计量仪表，具有出色地低压和高压计量性能，多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性，广泛适用于天然气、煤制气、液化气、轻炔气等气体的计量。

  该产品经防爆产品质检部门按GB3836.2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部：通用要求》 ，GB3836.2-2000《爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”》和GB3836.4-2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”》标准检验合格，防爆标志为ExdⅡBT6（隔爆型）、ExiaⅡCT6（本安型）。适用于含有ⅡA、ⅡB、ⅡC类T1～T6温度组别爆炸性气体混合物的0（仅本安型）、1、2区危险场所。

  4.2、产品特点：

n 优质合金涡轮，具有更高的稳流和耐腐蚀作用 

n 进口优质专用轴承，使用寿命长 

n 计量室与通气室隔绝，保证了仪表的安全性 

n 可检测被测气体的温度、压力和流量，能进行流量自动跟踪补偿，并显示标准状态下（Pb=101.325KPa,Tb=293.15K）的气体体积累积量；可实时查询温度压力数值 

n 流量范围宽（Qmax/Qmin≥20:1)，重复性好，精度高（可达1.0级），压力损失小，始动流量低，可达0.6m3/h 

n 智能化仪表系数多点非线性修正 

n 内置式压力、温度传感器，安全性能高、结构紧凑、外形美观 

n 仪表具有防爆及防护功能，防爆标志为ExdⅡBT4、ExiaⅡCT4， 防护等级为IP65 

n 系统低功耗工作，一节3.2V10AH锂电池可连续使用3年以上 

n 仪表系数、累计流量值掉电十年不丢

    4.3、工作原理:

   当流体流入流量计时，在进气口专用一体化整流器的作用下得到整流并加速，由于涡轮叶片与流体流向成一定角度，此时涡轮产生转动力矩，在克服摩擦力矩和流体阻力矩后，涡轮开始旋转。在一定的流量范围内，涡轮旋转的角速度与流体体积流量成正比。根据电磁感应原理，利用磁敏传感器从同轴转动的信号轮上感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号，该信号经放大、滤波、整形后与温度、压力传感器信号一起进入智能流量积算仪的微处理单元进行运算处理，并把气体的体积流量和总量直接显示于LCD屏上

 

  4.4、技术参数：

4．5 基本参数： 

 

表1

型号规格	公称通径 （mm）	流量范围 （m3/h）	始动流量 （m3/h）	工作压力 （MPa）	安装形式
LWQ-25	25 （1"）	2.5-25	1	4.0	法兰（螺纹）
LWQ-40	40 （1.5"）	5-50	1.8	4.0	法兰（螺纹）
LWQ-50	50 （2"）	6-65	2.5	4.0	法兰（螺纹）
LWQ-65	65（2.5"）	15-200	4.5	1.6	法兰
LWQ-80	80 （3"）	13-250	6	1.6	法兰
LWQ-100	100（4"）	20-400	8	1.6	法兰
LWQ-125	125（5"）	25-700	12	1.6	法兰
LWQ-150	150（6"）	32-650	15	1.6	法兰
LWQ-200	200（8"）	80-1600	35	1.6	法兰
LWQ-250	250（10"）	130-2500	65	1.6	法兰
LWQ-300	300（12"）	200-4000	85	1.6	法兰

 

4．6 精度等级：1.0级、1.5级 

4．7 使用条件： 

◆ 环境温度：-30℃～+60℃；    ◆ 大气压力：86KPa～106KPa； 

◆ 介质温度：-30℃～+80℃；    ◆ 相对湿度：5%～95%

4．8  电气性能指标：

表2

型号规格	显示、输出方式	供电电源
LWQ	电压脉冲低电平≤1V，高电平≥8V，三线制	外电源DC12V-24V
LWQ－A	(4～20)mA标准模拟信号线性对应于(0～Qmax)m3/h标准体积流量, 两线制	外电源DC24V
LWQ－B	具有多点精度修正，同时显示瞬时流量和累计流量双排液晶显示，方法如下： Q   XXXX    四位瞬时流量（m3/h） XXXXXXXX    八位累计流量（m3） 注：累计流量自00.000000开始计数，自动扩大显示精度，***大记至999999.99。累计流量值可清零，仪表系数、累计流量值掉电十年不丢。	3.2V10AH锂电池供电
LWQ－C	在LWQ-B（现场显示型）基础上加装4－20mADC电流输出	外电源DC24V
LWQ－D	在LWQ-B（现场显示型）加装温度、压力传感器，对不同状况流量进行自动补偿修正运算。可同时查询温度、压力、电池电量等数值。可输出高频、低频电压脉冲信号以及4-20mADC两线制电流信号。	3.2V10AH锂电池或外电源DC24V

5、结束语:
 涡轮流量计在体积流量测量方面有诸多优点，为保证其测量精度，需要注意以下事项：安装时为尽可能避免外部来流的影响， 需按工艺要求保证足够长的上下游直管段；对影响涡流流量计特性的漩涡流动、脉动流、黏度等因素，需要进行必要的补偿。