管道中周期性脈動流如何對渦輪流量計測量精度產(chǎn)生影響

如果流動流體的某個參數(shù)如壓力、速度或密度等一連變化及變換，產(chǎn)生爆發(fā)性的變動，我們就把這種流動叫做脈動流。在工業(yè)生產(chǎn)中幾乎總計的管道流動都是抵制穩(wěn)的，不論是層流狀況、照舊湍流狀況下總存在來自于流體內(nèi)部和外部環(huán)境的各種干擾。脈動流會對儀表的測量精度發(fā)生影響，嚴重的時候使得測量值失真，所以工業(yè)上對于液體介質(zhì)流動過程中的的脈動對流量計測量精度的影響要予以重視。潤中儀表科技是專業(yè)從事渦輪流量計生產(chǎn)的企業(yè)，多年以來，一直對于渦輪流量計的研發(fā)與生產(chǎn)維護這塊有著獨到的理解，也在生產(chǎn)實踐中積淀了大量的有用的經(jīng)驗，本文就是介紹周期性脈動流對渦輪流量計測量精度影響的分析，供廣大用戶們參考。
　　
　　1、脈動流測量的空乏辦法
　　　脈動無時無處不在，但卻出格難測量。直接測量脈動流幾乎是不行能的，我們只有測量出脈動的首要參數(shù)，如幅值，頻率及波形等，然后從這些參數(shù)中闡發(fā)出這個脈動可能給儀表輸出帶來什么樣的影響。即使是測出脈動的參數(shù)也不定能夠真正分析準確，最基礎的辦法是利用一些尤其儀表對管道內(nèi)流動流體進行聲學闡發(fā)來測出脈動參數(shù)。
　如果生產(chǎn)過程中管道中的流體脈動頻率較低，還達不到管道已裝配的流量儀表或壓力變送器等能利用的頻率上限，則從壓力儀表的輸出指針的擺動就可察覺到脈動的存在。但要領悟脈動的各個參數(shù)值還需要具體的測量。經(jīng)研討發(fā)現(xiàn)脈動與流動速度有關而與靜壓無關。因此，可用測量qVrms/qV（qVrms是體積流量的最大脈動值;qV是體積流量的平均值）來領悟脈動情勢。
　　
　　以下是測量qVrms/qV的辦法:
　　
　?、贉y量脈動幅值，可以假定vrms/v≈qVrms/qV，v指管內(nèi)的平均流速，vrms是管內(nèi)流速的最大脈動量?？梢栽诠艿乐须x流量儀表很近的上游插入一個熱式風速儀探針（熱導線或熱敏電阻），再用一個在線打算機展現(xiàn)流速最大脈動量的平方。
　　
　?、诋斄髁績x表離脈動源很近（如在小于脈動四分之一波長的地方）脈動的幅值和脈動源一樣?？梢詮拿}動源的體積、旋轉(zhuǎn)速度等的變化估算出可能的幅值。這個辦法雖然不是很合理，但卻無須利用別的儀表。
　　
　　③若流量儀表是一個差壓式儀表，要導出脈動的幅值，就要測出任憑撙節(jié)器件的差壓脈動的幅值Δprms/Δpps其成果將用來粗略預計脈動的幅值。這個值是隨脈動頻率的變化而變化的，從以下方程可以推出qVrms/qV的最大可能值:qVrms/qV≤Δprms/Δpps式中:Δprms為差壓的最大脈動量，Δpps為在穩(wěn)態(tài)流下測出的差壓。
　　
　　對流量變送器輸出的原始數(shù)據(jù)進行波譜闡發(fā)，從而求出脈動情勢。假定脈動頻率并沒有十全超出流量變送器的相應范圍，那么在輸出信號的波譜中，利用傅立葉波譜闡發(fā)儀即可測出脈動頻率。
　　
　　2、周期性脈動流對渦輪流量計測量精度影響的理論闡發(fā)
　　
　　2.1數(shù)學模型的扶植和渦輪流量計動態(tài)特性闡發(fā)
　　
　　當脈動頻率超出某個范圍時，渦輪流量計的測量值就會發(fā)生較大的差池。差池的起源首要有以下幾個方面:旋轉(zhuǎn)葉片的共振，齒輪的嚙合（死板輸出的渦輪流量計），轉(zhuǎn)軸和齒輪的慣性，脈動流的形狀，轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力等。因為總計的脈動情形都是由正弦波疊加而成，所以可以從闡發(fā)正弦脈動對渦輪流量計的測量值的影響下手來闡發(fā)周期性脈動的影響情勢。
　　
　　理論和實干均表明，將正弦量參與時不變妄圖系統(tǒng)，其平亂狀況下的響應是相仿頻率的正弦輸出量，但幅值和相位則決意于具體系統(tǒng)的動態(tài)特性。
　　
　　渦輪流量計是一種速度式儀表，它是以動量矩守恒原理為本原的，流體伏擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，終末從渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)求出流量值，任憑磁電更換裝置（或死板輸出裝置）將渦輪轉(zhuǎn)速變化成電脈沖，送入二次儀表進行打算和展現(xiàn)，由單位時刻電脈沖數(shù)和累計電脈沖數(shù)反映出瞬時流量和累計流量（見圖1）。所以，只要得出渦輪轉(zhuǎn)圖1速與流量的干系曲線就能闡發(fā)周期性脈動流對渦輪流量計測量精度的影響。由動量矩定理可知，渦輪的運動方程為式中:J為渦輪的轉(zhuǎn)動慣量;ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度;ΣM為功效在渦輪上的合力矩。式（1）再現(xiàn)一個一階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)在單位正弦的功效下x（t）=sinω0t（t>0），其響應為當t趨向于無盡大時，
　　
　　當渦輪流量計的型號一守時，其幅值A（ω0）就是一個常數(shù)，但相位角<=-arctgω0J不呈線性干系，所以輸出可能會引起相位失真。我們需要領悟在什么條件下，可以較切確地測出輸出量。令ω0=2πfp，fp為脈動頻率，由此可知，隨著脈動頻率和轉(zhuǎn)動慣量的添補，幅值越來越小，而相位角越來越大，即滯后時刻越來越長?？梢?，渦輪流量計所能測量的脈動頻率有一定的范圍，否則，就會導致展現(xiàn)較大的差池。
　　
　　2.2正弦脈動流對測量精度影響的理論闡發(fā)
　　
　　以型號為LW240的渦輪流量計為例進行闡發(fā)。
　　
　?、俣ǔＡ鲃訒r式
　　
　?。?）變成:ΣM=M-ΣMi=0這里把ΣM分成了兩部分，即驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩M，和障礙渦輪旋轉(zhuǎn)的各種阻力矩ΣMi。
　　
　　任憑闡發(fā)打算，驅(qū)動力矩為式中:θ為葉片與軸線之間的夾角;€r為渦輪平均半徑;A為管道風行面積;ρ為流體密度;ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度;q為任憑管道的流量。
　　
　　.
　　
　　假定渦輪流量計管事在無阻力的妄圖狀況下，則渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度為當流量為正弦脈動，即q=asinωt時，渦輪旋轉(zhuǎn)加速度ω是幅值為A）的同相位正弦脈動，其對渦輪流量計測量精度的影響幾乎為零。
　　
　?、诜嵌ǔＡ鲃訒r
　　
　　由于管內(nèi)的流動頻頻不是一個定常流動，且渦輪在真原形況下還會受到阻力矩的影響，則式（1）為了處理省事，略去方程中的粘性阻力矩C1ηq，上式變?yōu)榱顀=asinωt，經(jīng)過闡發(fā)整理，可以得出渦輪旋轉(zhuǎn)加速度與脈動流各參數(shù)的干系:式中:C為平守時的ω值對于所研討的渦輪流量計，其渦輪葉片的轉(zhuǎn)動慣量J=21889×10-6kg·m2。則上式中的積分項可用以下流程圖（見圖2）加以打算。
　　
　　2.3成果與闡發(fā)
　　
　　2.3.1脈動流頻率對測量精度的影響
　　
　　經(jīng)過謀區(qū)闡發(fā)，發(fā)現(xiàn)脈動流頻率是影響精度的最關鍵因素，所加的正弦脈動流頻率與穩(wěn)態(tài)下渦輪旋轉(zhuǎn)加速度的干系為ωn=2πfp（1/…qm）€r2（…qm為平均質(zhì)量流量）時，響應曲線與輸入正弦曲線最為切近，與理論闡發(fā)本原切合。頻繁變換脈動流頻率參數(shù)，發(fā)現(xiàn)間或圖形失真出格厲害，經(jīng)過對多幅圖形（如圖3和圖4）的闡發(fā)，發(fā)現(xiàn)如下循序:
　　
　　①當脈動流頻率fp小于角加速度ω，那么流量儀表的響應近似于輸入脈沖，測量成果切近于真值;且頻率越小，成果越切近，由此可知當脈沖頻率遠遠小于渦輪旋轉(zhuǎn)的角加速度時，儀表的測得值差池幾乎為零。
　　
　?、诋斆}沖頻率fp大于角加速度ω，那么儀表的響應曲線起原失真，且頻率fp與角加速度ω相差越大，其失真程度越大。
　　
　?、勖}動流的頻率還影響輸出圖形的幅值大小，經(jīng)闡發(fā)現(xiàn)察，頻率越大，幅值越小;頻率越小，幅值越大。
　　
　　2.3.2在脈動流存在的情勢下其它參數(shù)對測量精度的影響
　　
　　對于形狀不失果真響應曲線，其輸出圖形幅值還與其它參數(shù)有關，經(jīng)研討，影響較大的參數(shù)有渦輪流量計葉片的轉(zhuǎn)動慣量J。若轉(zhuǎn)動慣量J越小，輸出圖形的幅值越大;反之，J越大，輸出圖形的幅值越小。但J太大未必太小都市影響輸出曲線的幅值失真過大，J取在（2～3）×10-6kg·m2時，其圖形輸出最好。
　　
　　渦輪流量計葉片的初始旋轉(zhuǎn)加速度C也將影響輸出曲線。從參數(shù)闡發(fā)可知，其響應曲線與輸入脈動曲線有一個位移，這個位移大小主若是與初始值C有關，即穩(wěn)態(tài)流動時，旋轉(zhuǎn)加速度越小，這個位移量越小，但小到一定值時，由于其它因素的影響（如流體粘性及死板摩擦阻力的影響等）又會使圖形失真，對于被研討的渦輪流量計，穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)加速度值以大于2π為好。
　　
　　3、結(jié)論
　　
　　本文研討了周期性脈動流對渦輪流量計的測量精度的影響情勢，結(jié)論如下:
　　
　　①脈動流的頻率影響最大，當脈動流頻率fp小于角加速度ω，那么流量儀表的響應與輸入脈動流圖形相通，測量成果切近于真值;
　　
　?、谵D(zhuǎn)動慣量J對于輸出圖形幅值有影響;
　　
③穩(wěn)態(tài)流時的旋轉(zhuǎn)加速度值可能會引起輸出圖形發(fā)生一個向上的位移。