[導讀] 本文闡述了渦輪流量計的工作特性、理論模型，分析了影響渦輪流量計起動排量的各種因素并且總結了流體的溫度及密度對渦輪流量計測量精度的影響，對渦輪流量計的改善提高有一定的指導作用。
在油田監測中，
渦輪流量計因其體積小、結構簡單、價格便宜被廣泛的應用。但由于受起動排量、流體的溫度、粘度等各種因素的影響，使得渦流量計在實際應用過程中有偏差，給現場生產帶來了很大的困難，因此有必要對影響渦輪流量計測量精度的各種因素進行分析、總結，使之能更好的為油田生產服務。
1 工作原理
渦輪流量計是速度式流量測量儀表，它是以動量矩守恒原理為基礎，通過測量置于被測流體內的渦輪的旋轉速度n來測量流量Q的大小。渦輪流量計的特性方程式為[1]：
（1）
式中：c為渦輪流量計流量與轉速之間的轉換系數；a為與流量計結構參數、流體性質以及流動狀態有關的系數。
2 影響因素分析
2.1 起動排量影響因素分析
如圖1所示：流量計的工作區間為QA-QB段，即特性方程線性工作區。而在流量QA以下時，流量與轉速不成線性關系，在一定小的流量下，無信號輸出。因此，在測量過程中，如何降低始動流量，提高靈敏度，減小死區，展寬線性工作區，成為解決小流量測量的關鍵問題。
圖1 渦輪流量計Q-n特性曲線
對渦輪流量計的理論模型作如下分析。葉片的旋轉如圖2所示。
圖2 葉片的旋轉
設渦輪流量計內流體流向與渦輪葉片成θ傾斜角，若密度ρ為的流體以速度V沖擊葉片時，將朝上產生與ρVtanθ成正比的力，此外，由于渦輪以角速度旋轉，故圖中實際的渦輪驅動力為：
（2）
式中：為渦輪平均旋轉半徑。
因為，渦輪驅動力矩Tr與Fr成正比，V與Q/S（S為流路面積）成正比，故將這些關系代入式（2）得：
（3）
渦輪在正常狀態下旋轉時，渦輪驅動力矩Tr等于軸承摩擦等產生的機械反抗力矩Trm和由流動阻力產生的反抗力矩Trf之和，即
（4）
將（3）和（4）整理得：
（5）
式中，
從理論可以知道，決定渦輪始動流量（即渦輪流量計的最小靈敏度Qmin）的主要因素，渦輪起動時，角速度小，故可以忽略阻力產生的反抗力矩Trf因而式（5）可寫
（6）
其最小靈敏度Qmin是式（6）右邊第一項和第二項相等時的流量。即得
（7）
而機械反抗力矩Trm包括渦輪軸與軸承間的摩擦力矩Tr1和電磁反作用力矩Tr2，即
（8）
因此，降低機械反抗力矩Trm，就是減小摩擦力矩Tr1和電磁反作用力矩Tr2。
從式（7）可知，對測量介質一定，管徑一定的流體，密度為定值，c3，c4分別為比例常數，橫截面為定值。因此，影響Qmin變化的只有Trm（Tr1，Tr2）。
在流量計結構設計及工藝設計時，根據理論分析，可以采取以下措施作為優化設計。
①渦輪采用質輕的材料，減小渦輪的轉動慣量，使其對流速變化的響應性好；渦輪軸與軸承間采用軸尖支撐，軸承采用瑪瑙，減小旋轉阻力。
②磁電轉換器由光纖接受器取代，消除電磁反作用力矩。同時提高電磁流量計的抗干擾能力。
2.2 溫度因素的影響
表1 渦輪K值在水中不同溫度下的響應
不同溫度下，用水標定渦輪K（F/Q）值的情況如表1，從表1中可以發現，隨著水溫度的增加，渦輪的K值相對減小。
表2 渦輪在不同油溫下的頻率響應
根據上表做出油對K值得響應特性曲線，如圖3所示，冷油（16度）對K值的響應特性，即y=118.69x-41.857；熱油（60度）對K值的響應特性，即y=107.42x-24.38。
圖3 不同溫度下渦輪響應
由此可見，溫度的變化對渦輪流量計K有影響，主要是由于金屬材料熱脹冷縮，幾何尺寸的變化會引起渦輪轉速的變化，K值也會隨之改變。
2.3 流體密度因素的影響
渦輪啟動時，要克服較大的機械靜摩擦力，因此需要較大始動流量。渦輪以一定的速度轉動起來以后，需要機械動摩擦力和流體流動阻力，轉動閾值Qmin與ρ0.5成反比，流體密度越大，Qmin越小[2]。這種情況對于密度變化小的液體來說，影響不大，Qmin可視為常數。但對于多相流體來說，由于溫度、壓力和分相含率的變化，引起ρ變化，從而影響Qmin。
實驗在以水和空氣為介質的流動模擬裝置中進行，實驗中在氣體流量固定的前提下，逐漸增大水的流量，測量渦輪的響應值。增大氣體的流量，重復上述操作，得到了下面的渦輪響應圖版，其中流量為氣液的合流量。圖中氣體流量為零時，流體的密度最大，測得的響應曲線各流量響應值最大。由于氣流量增大時，測得流體密度和粘度都變小，所以隨著流體密度的減小，增大。
圖4 渦輪響應圖版
通過實驗驗證，我們可以得出如下的結論：
（1）渦輪流量計在測量多相流的流量時，在總流量保持不變的情況下，流體的密度發生變化也會引起渦輪轉速的很大變化。
（2）渦輪流量計的始動流量隨多相流體密度的增大而減小。
3 結論
通過理論推導和實驗驗證，可以得出如下結論：
3.1 渦輪采用質輕的材料，使其對流速變化的響應性好；同時盡量采取措施減少摩擦阻力矩及電磁反作用力矩，通過這些措施可以降低渦輪的起動排量。
3.2 溫度的變化會引起渦輪K值的變化，建議考慮使用對溫度不敏感的材料作為渦輪制造材料。
3.3 不同密度下的渦輪K值隨密度增加而增大，因此三相流下要獲得準確的流量還需進行密度校正。
參考文獻
[1] 李素芬.渦輪流量計測量誤差修正[J].測控技術，1995，14（4）：19～21.
[2] 鐘興福等.用渦輪流量計測量多相流流量.儀器儀表學報，2002，（6）：22～24