圖 1 所示為渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡圖，由圖可見，當(dāng)被測流體流過傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢，即電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。

圖 1

渦輪流量計(jì)的流量方程可分為兩種：實(shí)用流量方程和理論流量方程。

•  實(shí)用流量方程

q v =f/K 公式 1

q m =qvρ 公式 2

式中 q v , q m ……分別為體積流量， m 3 /s ，質(zhì)量流量， kg/s;

f ……流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率， Hz;

K ……流量計(jì)的儀表系數(shù)， P/m 3 。

流量計(jì)的系數(shù)與流量（或管道雷諾數(shù)）的關(guān)系曲線如圖 2 所示。由圖可見，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二，其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下*，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過流量上*要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的 TUF 特性曲線的形狀是相似的，它僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。

圖 2 渦輪流量計(jì)特性曲線

傳感器的儀表系數(shù)由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出，它*不問傳感器內(nèi)部流體機(jī)理，把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號(hào)）確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)，它便于實(shí)際應(yīng)用。但要注意，此轉(zhuǎn)換系數(shù)（儀表系數(shù)）是有條件的，其校驗(yàn)條件是參考條件，如果使用時(shí)偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。

•  理論流量方程

根據(jù)動(dòng)量矩定理可以列出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程

公式 3

式中 J ： 葉輪的慣性矩；

dw/dt ： 葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度；

M 1 ： 流體的驅(qū)動(dòng)力拒；

M 2 ： 粘性阻力矩；

M 3 ： 軸承摩擦阻力矩；

M 4 ： 磁阻力矩。

當(dāng)葉輪以恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)， 0 ，則 M 1 = M 2 + M 3 + M 4 。經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得

公式 4

式中 n ： 葉輪轉(zhuǎn)速；

qv ： 體積流量；

A ： 與流體物性（密度、粘度等），葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（葉片傾角、葉輪直徑、

流道截面積等）有關(guān)的系數(shù)；

B ： 與葉片頂隙，流體流速分布有關(guān)的系數(shù)；

C ： 與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結(jié)構(gòu)及流體工作條件。至今渦輪儀表特性的水動(dòng)力學(xué)特性仍舊不很清楚，它與流體物性及流動(dòng)特性有復(fù)雜的關(guān)系。比如當(dāng)流場有旋渦和非對(duì)稱速度分布時(shí)水動(dòng)力學(xué)特性就非常復(fù)雜。不能用理論式推導(dǎo)儀表系數(shù)，儀表系數(shù)仍需由實(shí)流校驗(yàn)確定。但是理論流量方程有巨大的實(shí)用意義，它可用于指導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場使用條件變化時(shí)儀表系數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測和估算。