關(guān)于氣體脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差的影響的探討

理論支持：上海理工大學(xué)光電學(xué)院  技術(shù)支持：聯(lián)儀自控有限公司   編號(hào)：200905261

摘要：本文講解了產(chǎn)生脈動(dòng)流的原因，對(duì)最基本的周期性脈動(dòng)流——按正玄規(guī)律變化的脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差的影響做了探討。

前言：脈動(dòng)流是指流體在測(cè)量區(qū)域的流速是時(shí)間的函數(shù)，在一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)有一個(gè)恒定的平均值，而這個(gè)值是多少就取決于脈動(dòng)流的流動(dòng)規(guī)律。我們把脈動(dòng)流分為周期性脈動(dòng)流和隨機(jī)脈動(dòng)流，通常提及的脈動(dòng)流大多指周期性脈動(dòng)流。脈動(dòng)流體通常在速度、壓力盒溫度上出現(xiàn)連續(xù)的、無(wú)規(guī)則的、隨機(jī)的波動(dòng)。導(dǎo)致波動(dòng)產(chǎn)生的原因有很多種，可因旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械，如旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式發(fā)送機(jī)、壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)或水泵造成，可由工作管道的震動(dòng)，特別是共振造成，也可以由流量控制器的周期性動(dòng)作和調(diào)節(jié)器的往復(fù)開(kāi)關(guān)及流體管道裝置、閥門(mén)或旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置等分流造成，還可以因?yàn)榱黧w系統(tǒng)的幾何特征而引起的流體力學(xué)振動(dòng)和多段流而引起。

真正的管道定常流僅僅是在層流中出現(xiàn)，通常它的雷諾數(shù)小于2 000，而大多數(shù)工業(yè)管流均有較高的雷諾數(shù)，而且會(huì)出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，所以它也是一種統(tǒng)計(jì)意義上的定常流。脈動(dòng)流的存在會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)出現(xiàn)計(jì)量誤差，甚至不能正常工作，其中最為敏感的是差壓式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)對(duì)其最為敏感。

本廠研發(fā)部將上述問(wèn)題納入研究課題，而本文對(duì)最基本的周期性脈動(dòng)流——按正玄規(guī)律比愛(ài)你話的脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差的影響做了探討。

1、  脈動(dòng)流的特性參數(shù)的主要測(cè)量方法

脈動(dòng)流無(wú)處無(wú)時(shí)無(wú)刻不在，但脈動(dòng)流的測(cè)量卻非常困難，我們通常測(cè)量出脈動(dòng)流的主要參數(shù)，例如脈動(dòng)流的幅值、頻率和波形，然后通過(guò)這些參數(shù)分析脈動(dòng)流可能給流量計(jì)造成的影響。通常主要的測(cè)量方法有非接觸方法和接觸方法。

非接觸方法包括光學(xué)法和聲學(xué)法。1）光學(xué)法主要采用LDA，此技術(shù)可測(cè)出管軸線處的點(diǎn)速度，并對(duì)脈動(dòng)振幅和波形做出估算。2）聲學(xué)方法主要采用Doppler Shift，但該技術(shù)僅能用于液體，其傳送器和接收器安裝在管道外壁，可根據(jù)其測(cè)得的瞬時(shí)速度剖面精確計(jì)算其脈動(dòng)特性。

接觸方法主要是熱線風(fēng)速儀法，可用來(lái)測(cè)量脈動(dòng)流得點(diǎn)速度，它具有足夠的測(cè)量頻寬，可采用在線計(jì)算機(jī)顯示流速的最大脈動(dòng)量。

2、  脈動(dòng)氣體劉對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差影響理論分析

       渦輪流量計(jì)以動(dòng)量守恒定律為理論基礎(chǔ)，是一種速度式流量?jī)x表。對(duì)氣體流量而言，如果已經(jīng)知道其流動(dòng)速度v和渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子葉片中心的切線速度v1則二者之間的關(guān)系可由下列非線性微分方程確定

其中，c是一個(gè)與儀表常熟和流體密度有關(guān)的常數(shù)；⊙為葉片與轉(zhuǎn)子中心軸線之間的夾角，通常取其為45°，公式中假定渦輪加速所需的旋轉(zhuǎn)力矩由氣體脈動(dòng)流所引起的變化力矩來(lái)提供個(gè)，忽略摩擦。

   對(duì)定常流，v1=v，但是當(dāng)氣體流動(dòng)速度從它的平均值ˉV開(kāi)始發(fā)生變化時(shí)，渦輪速度與流體速度會(huì)出現(xiàn)短暫差異，從而引起流量計(jì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。

從公式中可知，時(shí)間常數(shù)t1與平均速度和階躍擾動(dòng)的振幅直接有關(guān)。流體速度增大會(huì)引起t1發(fā)生變化，但t1的變化程度比速度的變化程度要小些，因此，周期性脈動(dòng)將導(dǎo)致儀表讀數(shù)出現(xiàn)一個(gè)正的誤差。

為估計(jì)脈動(dòng)流所引起的流量計(jì)測(cè)量誤差，假定脈動(dòng)流按正玄規(guī)律變化，并可表示為

3、  試驗(yàn)結(jié)果

采用型號(hào)為LWGY渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試分析，圖2試驗(yàn)裝置示意圖。壓縮空氣從來(lái)流方向進(jìn)入裝置，經(jīng)過(guò)整流器后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)孔板，經(jīng)足夠長(zhǎng)的管道后，到脈動(dòng)發(fā)上去，在特定信號(hào)做喲哦那個(gè)下脈動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生按一定規(guī)律變化的脈動(dòng)流，改脈動(dòng)流經(jīng)流量調(diào)節(jié)器后進(jìn)入渦輪流量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)孔板采用圖3所示測(cè)量系統(tǒng)，改系統(tǒng)采用可換孔板的節(jié)流裝置，確保孔板在管道中的垂直度和同心度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)轉(zhuǎn)換部分應(yīng)用差壓變送器，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度、雷諾數(shù)進(jìn)行在線補(bǔ)償，采用時(shí)間為10us，積算周期為5s。脈動(dòng)發(fā)生器采用變頻調(diào)速器控制，控制信號(hào)的頻率范圍為2-50hz，脈動(dòng)振幅可達(dá)100%。脈動(dòng)檢測(cè)器部分必要時(shí)可測(cè)量脈動(dòng)發(fā)上去信號(hào)的實(shí)際變化情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖中虛線所示，從下圖可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算基本吻合。

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