涡轮流量计在测量管道流体脉动流时的特性规律

       前言
      1.1脉动流的产生
　　脉动常见于工业管流，它多由旋转式或往复式压气机、鼓风机和泵产生。有脉动输出的泵（如隔膜泵、活塞泵、电磁泵、蠕动泵等）出口的液体状态，由于泵是周期性工作，出口流量是呈脉冲状。管道中流体的共振和流量控制设备的周期振荡，例如控制阀的振荡，也是脉动的主要起因。流体在以较高的流速流过t型接头中的直线管段时，常会引发三通中的第三只口内流体脉动。脉动一旦形成就会在流体中传播，不但可向脉动源的下游传播，也可向其上游传播。脉动经一段距离的传播常因压缩作用而强度减弱。
 
　　所谓脉动流是指流体在测量区域的流速是时间的函数,但在一个足够长的时间段内有一个恒定的平均值。脉动流的存在会导致流量计出现计量误差,甚至不能正常工作。如何校正或减少脉动对流量测量特性的影响,是流量测量中比较重要的课题。本文对涡轮流量计在脉动流中的特性进行了研究。利用涡轮流量传感器的数学模型,求出了在正弦脉动流作用下的角加速度与脉动频率及振幅的理论关系式,通过对不同脉动频率和振幅下涡轮流量计误差的编程计算,总结并验证了脉动流对涡轮流量计误差的影响规律。
 
         1.2、脉动对涡轮流量计流量测量的影响
对于有固定周期的脉动流，可用周期来描述其脉动出现的频繁程度。一个周期有的可能要数小时，有的可能只需几秒钟。周期长、幅值较小的脉动，一般说来各种流量计都能跟踪这种变化，同时保持它们参比条件下的准确度。
周期短、幅值较大的脉动，对除容积式流量计之外的绝大多数种类流量计都有较显著影响，出现较大误差。
 
　　2. 1、误差方程及其计算
　　应用机翼理论来分析作用在涡轮转子上的驱动力矩和阻力矩,可得到其运动方程:
　　式中, J为叶片转动惯量, θ为叶片与轴线之间的夹角, r 为涡轮叶片的平均半径, A为管道流道面积,ρ为流体密度,ω为涡轮的旋转角速度, Q为通过管道的流量。
　　若把脉动流表示为Q= asin2πfp t ,经分析整理,可得出涡轮旋转加速度与脉动流各参数的关系:其中, c为稳态时的ω值。此时其显示误差可用下式表示: E= ω/c- 1对特定的涡轮流量计和不同的脉动流,可编程计算出( 2)式在脉动周期内各离散点所对应的ω( t ) , 据此可计算出涡轮流量计显示误差E,并画出相应曲线。
　　2. 2　结果与分析
　　经过计算分析,发现导致涡轮流量计产生误差的主要因素是脉动流的振幅和频率,通过对多幅图形的比较,发现有如下规律:
　　1)从曲线分布的象限来看,脉动流导致涡轮流量计出现一个正误差。当流体存在脉动时,在加速流体中,叶片的转动惯量能引起转子速度变慢,落后于定常流时的转速; 在减速流体中,叶片的转动惯量能导致转子速度加快,超过定常流时的转速。由于加速时的影响比减速时的影响小得多,因此,脉动流存在时流量计显示的平均流速远大于平均流量,出现正误差,此误差有时大可达50%。
　　2)当脉动频率fP小于涡轮转子的角频率ω时,涡轮流量计类似输入脉冲,测量结果接近真值,脉动流所引起的误差很小。当脉动频率fP 大于涡轮转子的角频率ω时,响应失真,会引起较大误差,且随着频率的增大,误差随着增大,终趋于稳定(如图1,图2)。
　　3)当脉动频率大于涡轮转子的角加速度时,频率脉动振幅的变化能引起涡轮流量计的测量误差产生大的改变,此误差随着脉动振幅的增大而升高,大可达50% ,但终趋于稳定(如图3,图4, a 为脉动振幅与稳态振幅之比)。

　　3、结论
　　从以上分析计算可知,脉动流使涡轮流量计产生一个正的系统误差,该误差受脉动频率和振幅的影响。当脉动频率小于角加速度时,其误差可认为为零; 当脉动振幅小于某一振幅值时,其误差亦可认为不影响涡轮流量计的精度。脉动流对涡轮流量计测量精确度的影响存在极限值

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