關(guān)于氣體脈動流對渦輪流量計測量誤差的影響的探討

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

摘要：本文講解了產(chǎn)生脈動流的原因，對最基本的周期性脈動流——按正玄規(guī)律變化的脈動流對渦輪流量計測量誤差的影響做了探討。

前言：脈動流是指流體在測量區(qū)域的流速是時間的函數(shù)，在一個足夠長的時間段內(nèi)有一個恒定的平均值，而這個值是多少就取決于脈動流的流動規(guī)律。我們把脈動流分為周期性脈動流和隨機脈動流，通常提及的脈動流大多指周期性脈動流。脈動流體通常在速度、壓力盒溫度上出現(xiàn)連續(xù)的、無規(guī)則的、隨機的波動。導致波動產(chǎn)生的原因有很多種，可因旋轉(zhuǎn)動力機械，如旋轉(zhuǎn)或往復式發(fā)送機、壓縮機和鼓風機或水泵造成，可由工作管道的震動，特別是共振造成，也可以由流量控制器的周期性動作和調(diào)節(jié)器的往復開關(guān)及流體管道裝置、閥門或旋轉(zhuǎn)的機械裝置等分流造成，還可以因為流體系統(tǒng)的幾何特征而引起的流體力學振動和多段流而引起。

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)，而且會出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，所以它也是一種統(tǒng)計意義上的定常流。脈動流的存在會導致流量計出現(xiàn)計量誤差，甚至不能正常工作，其中最為敏感的是差壓式流量計、渦輪流量計和渦街流量計對其最為敏感。

本廠研發(fā)部將上述問題納入研究課題，而本文對最基本的周期性脈動流——按正玄規(guī)律比愛你話的脈動流對渦輪流量計的測量誤差的影響做了探討。

1、  脈動流的特性參數(shù)的主要測量方法

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

非接觸方法包括光學法和聲學法。1）光學法主要采用LDA，此技術(shù)可測出管軸線處的點速度，并對脈動振幅和波形做出估算。2）聲學方法主要采用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)其測得的瞬時速度剖面精確計算其脈動特性。

接觸方法主要是熱線風速儀法，可用來測量脈動流得點速度，它具有足夠的測量頻寬，可采用在線計算機顯示流速的最大脈動量。

2、  脈動氣體劉對渦輪流量計測量誤差影響理論分析

       渦輪流量計以動量守恒定律為理論基礎，是一種速度式流量儀表。對氣體流量而言，如果已經(jīng)知道其流動速度v和渦輪流量計轉(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)力矩由氣體脈動流所引起的變化力矩來提供個，忽略摩擦。

   對定常流，v1=v，但是當氣體流動速度從它的平均值ˉV開始發(fā)生變化時，渦輪速度與流體速度會出現(xiàn)短暫差異，從而引起流量計出現(xiàn)測量誤差。

從公式中可知，時間常數(shù)t1與平均速度和階躍擾動的振幅直接有關(guān)。流體速度增大會引起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，周期性脈動將導致儀表讀數(shù)出現(xiàn)一個正的誤差。

為估計脈動流所引起的流量計測量誤差，假定脈動流按正玄規(guī)律變化，并可表示為

3、  試驗結(jié)果

采用型號為LWGY渦輪流量計進行測試分析，圖2試驗裝置示意圖。壓縮空氣從來流方向進入裝置，經(jīng)過整流器后進入標準孔板，經(jīng)足夠長的管道后，到脈動發(fā)上去，在特定信號做喲哦那個下脈動發(fā)生器產(chǎn)生按一定規(guī)律變化的脈動流，改脈動流經(jīng)流量調(diào)節(jié)器后進入渦輪流量計。標準孔板采用圖3所示測量系統(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家標準，信號轉(zhuǎn)換部分應用差壓變送器，能對現(xiàn)場壓力、溫度、雷諾數(shù)進行在線補償，采用時間為10us，積算周期為5s。脈動發(fā)生器采用變頻調(diào)速器控制，控制信號的頻率范圍為2-50hz，脈動振幅可達100%。脈動檢測器部分必要時可測量脈動發(fā)上去信號的實際變化情況。

實驗結(jié)果如下圖中虛線所示，從下圖可以看出，試驗結(jié)果與數(shù)值計算基本吻合。

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