渦輪流量計在測量管道流體脈動流時的特性規律

       前言
      1.1脈動流的產生
　　脈動常見于工業管流，它多由旋轉式或往復式壓氣機、鼓風機和泵產生。有脈動輸出的泵（如隔膜泵、活塞泵、電磁泵、蠕動泵等）出口的液體狀態，由于泵是周期性工作，出口流量是呈脈沖狀。管道中流體的共振和流量控制設備的周期振蕩，例如控制閥的振蕩，也是脈動的主要起因。流體在以較高的流速流過t型接頭中的直線管段時，常會引發三通中的第三只口內流體脈動。脈動一旦形成就會在流體中傳播，不但可向脈動源的下游傳播，也可向其上游傳播。脈動經一段距離的傳播常因壓縮作用而強度減弱。
 
　　所謂脈動流是指流體在測量區域的流速是時間的函數,但在一個足夠長的時間段內有一個恒定的平均值。脈動流的存在會導致流量計出現計量誤差,甚至不能正常工作。如何校正或減少脈動對流量測量特性的影響,是流量測量中比較重要的課題。本文對渦輪流量計在脈動流中的特性進行了研究。利用渦輪流量傳感器的數學模型,求出了在正弦脈動流作用下的角加速度與脈動頻率及振幅的理論關系式,通過對不同脈動頻率和振幅下渦輪流量計誤差的編程計算,總結并驗證了脈動流對渦輪流量計誤差的影響規律。
 
         1.2、脈動對渦輪流量計流量測量的影響
對于有固定周期的脈動流，可用周期來描述其脈動出現的頻繁程度。一個周期有的可能要數小時，有的可能只需幾秒鐘。周期長、幅值較小的脈動，一般說來各種流量計都能跟蹤這種變化，同時保持它們參比條件下的準確度。
周期短、幅值較大的脈動，對除容積式流量計之外的絕大多數種類流量計都有較顯著影響，出現較大誤差。
 
　　2. 1、誤差方程及其計算
　　應用機翼理論來分析作用在渦輪轉子上的驅動力矩和阻力矩,可得到其運動方程:
　　式中, J為葉片轉動慣量, θ為葉片與軸線之間的夾角, r 為渦輪葉片的平均半徑, A為管道流道面積,ρ為流體密度,ω為渦輪的旋轉角速度, Q為通過管道的流量。
　　若把脈動流表示為Q= asin2πfp t ,經分析整理,可得出渦輪旋轉加速度與脈動流各參數的關系:其中, c為穩態時的ω值。此時其顯示誤差可用下式表示: E= ω/c- 1對特定的渦輪流量計和不同的脈動流,可編程計算出( 2)式在脈動周期內各離散點所對應的ω( t ) , 據此可計算出渦輪流量計顯示誤差E,并畫出相應曲線。
　　2. 2　結果與分析
　　經過計算分析,發現導致渦輪流量計產生誤差的主要因素是脈動流的振幅和頻率,通過對多幅圖形的比較,發現有如下規律:
　　1)從曲線分布的象限來看,脈動流導致渦輪流量計出現一個正誤差。當流體存在脈動時,在加速流體中,葉片的轉動慣量能引起轉子速度變慢,落后于定常流時的轉速; 在減速流體中,葉片的轉動慣量能導致轉子速度加快,超過定常流時的轉速。由于加速時的影響比減速時的影響小得多,因此,脈動流存在時流量計顯示的平均流速遠大于平均流量,出現正誤差,此誤差有時大可達50%。
　　2)當脈動頻率fP小于渦輪轉子的角頻率ω時,渦輪流量計類似輸入脈沖,測量結果接近真值,脈動流所引起的誤差很小。當脈動頻率fP 大于渦輪轉子的角頻率ω時,響應失真,會引起較大誤差,且隨著頻率的增大,誤差隨著增大,終趨于穩定(如圖1,圖2)。
　　3)當脈動頻率大于渦輪轉子的角加速度時,頻率脈動振幅的變化能引起渦輪流量計的測量誤差產生大的改變,此誤差隨著脈動振幅的增大而升高,大可達50% ,但終趨于穩定(如圖3,圖4, a 為脈動振幅與穩態振幅之比)。

　　3、結論
　　從以上分析計算可知,脈動流使渦輪流量計產生一個正的系統誤差,該誤差受脈動頻率和振幅的影響。當脈動頻率小于角加速度時,其誤差可認為為零; 當脈動振幅小于某一振幅值時,其誤差亦可認為不影響渦輪流量計的精度。脈動流對渦輪流量計測量精確度的影響存在極限值

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