[导读] 本文阐述了涡轮流量计的工作特性、理论模型，分析了影响涡轮流量计起动排量的各种因素并且总结了流体的温度及密度对涡轮流量计测量精度的影响，对涡轮流量计的改善提高有一定的指导作用。
在油田监测中，
涡轮流量计因其体积小、结构简单、价格便宜被广泛的应用。但由于受起动排量、流体的温度、粘度等各种因素的影响，使得涡流量计在实际应用过程中有偏差，给现场生产带来了很大的困难，因此有必要对影响涡轮流量计测量精度的各种因素进行分析、总结，使之能更好的为油田生产服务。
1 工作原理
涡轮流量计是速度式流量测量仪表，它是以动量矩守恒原理为基础，通过测量置于被测流体内的涡轮的旋转速度n来测量流量Q的大小。涡轮流量计的特性方程式为[1]：
（1）
式中：c为涡轮流量计流量与转速之间的转换系数；a为与流量计结构参数、流体性质以及流动状态有关的系数。
2 影响因素分析
2.1 起动排量影响因素分析
如图1所示：流量计的工作区间为QA-QB段，即特性方程线性工作区。而在流量QA以下时，流量与转速不成线性关系，在一定小的流量下，无信号输出。因此，在测量过程中，如何降低始动流量，提高灵敏度，减小死区，展宽线性工作区，成为解决小流量测量的关键问题。
图1 涡轮流量计Q-n特性曲线
对涡轮流量计的理论模型作如下分析。叶片的旋转如图2所示。
图2 叶片的旋转
设涡轮流量计内流体流向与涡轮叶片成θ倾斜角，若密度ρ为的流体以速度V冲击叶片时，将朝上产生与ρVtanθ成正比的力，此外，由于涡轮以角速度旋转，故图中实际的涡轮驱动力为：
（2）
式中：为涡轮平均旋转半径。
因为，涡轮驱动力矩Tr与Fr成正比，V与Q/S（S为流路面积）成正比，故将这些关系代入式（2）得：
（3）
涡轮在正常状态下旋转时，涡轮驱动力矩Tr等于轴承摩擦等产生的机械反抗力矩Trm和由流动阻力产生的反抗力矩Trf之和，即
（4）
将（3）和（4）整理得：
（5）
式中，
从理论可以知道，决定涡轮始动流量（即涡轮流量计的最小灵敏度Qmin）的主要因素，涡轮起动时，角速度小，故可以忽略阻力产生的反抗力矩Trf因而式（5）可写
（6）
其最小灵敏度Qmin是式（6）右边第一项和第二项相等时的流量。即得
（7）
而机械反抗力矩Trm包括涡轮轴与轴承间的摩擦力矩Tr1和电磁反作用力矩Tr2，即
（8）
因此，降低机械反抗力矩Trm，就是减小摩擦力矩Tr1和电磁反作用力矩Tr2。
从式（7）可知，对测量介质一定，管径一定的流体，密度为定值，c3，c4分别为比例常数，横截面为定值。因此，影响Qmin变化的只有Trm（Tr1，Tr2）。
在流量计结构设计及工艺设计时，根据理论分析，可以采取以下措施作为优化设计。
①涡轮采用质轻的材料，减小涡轮的转动惯量，使其对流速变化的响应性好；涡轮轴与轴承间采用轴尖支撑，轴承采用玛瑙，减小旋转阻力。
②磁电转换器由光纤接受器取代，消除电磁反作用力矩。同时提高电磁流量计的抗干扰能力。
2.2 温度因素的影响
表1 涡轮K值在水中不同温度下的响应
不同温度下，用水标定涡轮K（F/Q）值的情况如表1，从表1中可以发现，随着水温度的增加，涡轮的K值相对减小。
表2 涡轮在不同油温下的频率响应
根据上表做出油对K值得响应特性曲线，如图3所示，冷油（16度）对K值的响应特性，即y=118.69x-41.857；热油（60度）对K值的响应特性，即y=107.42x-24.38。
图3 不同温度下涡轮响应
由此可见，温度的变化对涡轮流量计K有影响，主要是由于金属材料热胀冷缩，几何尺寸的变化会引起涡轮转速的变化，K值也会随之改变。
2.3 流体密度因素的影响
涡轮启动时，要克服较大的机械静摩擦力，因此需要较大始动流量。涡轮以一定的速度转动起来以后，需要机械动摩擦力和流体流动阻力，转动阈值Qmin与ρ0.5成反比，流体密度越大，Qmin越小[2]。这种情况对于密度变化小的液体来说，影响不大，Qmin可视为常数。但对于多相流体来说，由于温度、压力和分相含率的变化，引起ρ变化，从而影响Qmin。
实验在以水和空气为介质的流动模拟装置中进行，实验中在气体流量固定的前提下，逐渐增大水的流量，测量涡轮的响应值。增大气体的流量，重复上述操作，得到了下面的涡轮响应图版，其中流量为气液的合流量。图中气体流量为零时，流体的密度最大，测得的响应曲线各流量响应值最大。由于气流量增大时，测得流体密度和粘度都变小，所以随着流体密度的减小，增大。
图4 涡轮响应图版
通过实验验证，我们可以得出如下的结论：
（1）涡轮流量计在测量多相流的流量时，在总流量保持不变的情况下，流体的密度发生变化也会引起涡轮转速的很大变化。
（2）涡轮流量计的始动流量随多相流体密度的增大而减小。
3 结论
通过理论推导和实验验证，可以得出如下结论：
3.1 涡轮采用质轻的材料，使其对流速变化的响应性好；同时尽量采取措施减少摩擦阻力矩及电磁反作用力矩，通过这些措施可以降低涡轮的起动排量。
3.2 温度的变化会引起涡轮K值的变化，建议考虑使用对温度不敏感的材料作为涡轮制造材料。
3.3 不同密度下的涡轮K值随密度增加而增大，因此三相流下要获得准确的流量还需进行密度校正。
参考文献
[1] 李素芬.涡轮流量计测量误差修正[J].测控技术，1995，14（4）：19～21.
[2] 钟兴福等.用涡轮流量计测量多相流流量.仪器仪表学报，2002，（6）：22～24