周期性脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度影響的分析

1 脈動(dòng)流測(cè)量的空乏辦法

幾乎總計(jì)的管道流動(dòng)都是抵制穩(wěn)的,不論是層流狀況、照舊湍流狀況下總存在各種干擾。如果流動(dòng)流體的某個(gè)參數(shù)如壓力、速度或密度等一連爆發(fā)變換, 就把這種流動(dòng)叫做脈動(dòng)流。脈動(dòng)流可以對(duì)儀表的測(cè)量精度發(fā)生影響,嚴(yán)正時(shí)會(huì)使得測(cè)量值失真,所以工業(yè)上弁急需要研討流動(dòng)進(jìn)程中的脈動(dòng)對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度的影響。

脈動(dòng)無時(shí)無處不在,但卻出格難測(cè)量。直接測(cè)量脈動(dòng)流幾乎是不行能的,我們只有測(cè)量出脈動(dòng)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(gè)脈動(dòng)可能給儀表輸出帶來什么樣的影響。即使是測(cè)出脈動(dòng)的參數(shù)也不是一件撙節(jié)的職責(zé),妄圖的辦法是利用一些尤其儀表對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)流體進(jìn)行聲學(xué)闡發(fā)來測(cè)出脈動(dòng)參數(shù)。

若脈動(dòng)頻率較低,不領(lǐng)先管道已裝配的流量?jī)x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(dòng)就可講授脈動(dòng)的存在。但要領(lǐng)悟脈動(dòng)的各個(gè)參數(shù)值還需要具體的測(cè)量。經(jīng)研討發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)與流動(dòng)速度有關(guān)而與靜壓無關(guān)。因此,可用測(cè)量qVrms/qV(qVrms是體積流量的最大脈動(dòng)值;qV是體積流量的平均值)來領(lǐng)悟脈動(dòng)情勢(shì)。

以下是測(cè)量qVrms/qV的辦法:

①測(cè)量脈動(dòng)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(dòng)量?？梢栽诠艿乐须x流量?jī)x表很近的上游插入一個(gè)熱式風(fēng)速儀探針(熱導(dǎo)線或熱敏電阻),再用一個(gè)在線打算機(jī)展現(xiàn)流速最大脈動(dòng)量的平方。

②當(dāng)流量?jī)x表離脈動(dòng)源很近(如在小于脈動(dòng)四分之一波長(zhǎng)的地方)脈動(dòng)的幅值和脈動(dòng)源一樣?？梢詮拿}動(dòng)源的體積、旋轉(zhuǎn)速度等的變化估算出可能的幅值。這個(gè)辦法雖然不是很合理,但卻無須利用別的儀表。

③若流量?jī)x表是一個(gè)差壓式儀表,要導(dǎo)出脈動(dòng)的幅值,就要測(cè)出任憑撙節(jié)器件的差壓脈動(dòng)的幅值Δprms/Δpps其成果將用來粗略預(yù)計(jì)脈動(dòng)的幅值。這個(gè)值是隨脈動(dòng)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(dòng)量,Δpps為在穩(wěn)態(tài)流下測(cè)出的差壓。

對(duì)流量變送器輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行波譜闡發(fā),從而求出脈動(dòng)情勢(shì)。假定脈動(dòng)頻率并沒有十全超出流量變送器的相應(yīng)范圍,那么在輸出信號(hào)的波譜中,利用傅立葉波譜闡發(fā)儀即可測(cè)出脈動(dòng)頻率。

2 周期性脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度影響的理論闡發(fā)

2.1數(shù)學(xué)模型的扶植和渦輪流量計(jì)動(dòng)態(tài)特性闡發(fā)

當(dāng)脈動(dòng)頻率超出某個(gè)范圍時(shí),渦輪流量計(jì)的測(cè)量值就會(huì)發(fā)生較大的差池。差池的起源首要有以下幾個(gè)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(jì)),轉(zhuǎn)軸和齒輪的慣性,脈動(dòng)流的形狀,轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力等。因?yàn)榭傆?jì)的脈動(dòng)情形都是由正弦波疊加而成,所以可以從闡發(fā)正弦脈動(dòng)對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量值的影響下手來闡發(fā)周期性脈動(dòng)的影響情勢(shì)。

理論和實(shí)干均表明,將正弦量參與時(shí)不變妄圖系統(tǒng),其平亂狀況下的響應(yīng)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(dòng)態(tài)特性。

渦輪流量計(jì)是一種速度式儀表,它是以動(dòng)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(jìn)行打算和展現(xiàn),由單位時(shí)刻電脈沖數(shù)和累計(jì)電脈沖數(shù)反映出瞬時(shí)流量和累計(jì)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(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響。由動(dòng)量矩定理可知,渦輪的運(yùn)動(dòng)方程為式中:J為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(yīng)為當(dāng)t趨向于無盡大時(shí),

當(dāng)渦輪流量計(jì)的型號(hào)一守時(shí),其幅值A(chǔ)(ω0)就是一個(gè)常數(shù),但相位角=-arctgω0J不呈線性干系,所以輸出可能會(huì)引起相位失真。我們需要領(lǐng)悟在什么條件下,可以較切確地測(cè)出輸出量。令ω0=2πfp,fp為脈動(dòng)頻率,由此可知,隨著脈動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的添補(bǔ),幅值越來越小,而相位角越來越大,即滯后時(shí)刻越來越長(zhǎng)?？梢?渦輪流量計(jì)所能測(cè)量的脈動(dòng)頻率有一定的范圍,否則,就會(huì)導(dǎo)致展現(xiàn)較大的差池。

2.2正弦脈動(dòng)流對(duì)測(cè)量精度影響的理論闡發(fā)

以型號(hào)為L(zhǎng)W240的渦輪流量計(jì)為例進(jìn)行闡發(fā)。

①定常流動(dòng)時(shí)式

(1)變成:ΣM=M-ΣMi=0這里把ΣM分成了兩部分,即驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(fēng)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。

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假定渦輪流量計(jì)管事在無阻力的妄圖狀況下,則渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度為　　當(dāng)流量為正弦脈動(dòng),即q=asinωt時(shí),渦輪旋轉(zhuǎn)加速度ω是幅值為A)的同相位正弦脈動(dòng),其對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響幾乎為零。

②非定常流動(dòng)時(shí)

由于管內(nèi)的流動(dòng)頻頻不是一個(gè)定常流動(dòng),且渦輪在真原形況下還會(huì)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(dòng)流各參數(shù)的干系:式中:C為平守時(shí)的ω值對(duì)于所研討的渦輪流量計(jì),其渦輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=21889×10-6kg·m2。則上式中的積分項(xiàng)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(dòng)流頻率對(duì)測(cè)量精度的影響

經(jīng)過謀區(qū)闡發(fā),發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)流頻率是影響精度的最關(guān)鍵因素,所加的正弦脈動(dòng)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(shí),響應(yīng)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(dòng)流頻率參數(shù),發(fā)現(xiàn)間或圖形失真出格厲害,經(jīng)過對(duì)多幅圖形(如圖3和圖4)的闡發(fā),發(fā)現(xiàn)如下循序:

①當(dāng)脈動(dòng)流頻率fp小于角加速度ω,那么流量?jī)x表的響應(yīng)近似于輸入脈沖,測(cè)量成果切近于真值;且頻率越小,成果越切近,由此可知當(dāng)脈沖頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于渦輪旋轉(zhuǎn)的角加速度時(shí),儀表的測(cè)得值差池幾乎為零。

②當(dāng)脈沖頻率fp大于角加速度ω,那么儀表的響應(yīng)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。

③脈動(dòng)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(dòng)流存在的情勢(shì)下其它參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響

對(duì)于形狀不失果真響應(yīng)曲線,其輸出圖形幅值還與其它參數(shù)有關(guān),經(jīng)研討,影響較大的參數(shù)有渦輪流量計(jì)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。若轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí),其圖形輸出最好。

渦輪流量計(jì)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(yīng)曲線與輸入脈動(dòng)曲線有一個(gè)位移,這個(gè)位移大小主若是與初始值C有關(guān),即穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí),旋轉(zhuǎn)加速度越小,這個(gè)位移量越小,但小到一定值時(shí),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(huì)使圖形失真,對(duì)于被研討的渦輪流量計(jì),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(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度的影響情勢(shì),結(jié)論如下:

①脈動(dòng)流的頻率影響最大,當(dāng)脈動(dòng)流頻率fp小于角加速度ω,那么流量?jī)x表的響應(yīng)與輸入脈動(dòng)流圖形相通,測(cè)量成果切近于真值;

②轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J對(duì)于輸出圖形幅值有影響;

③穩(wěn)態(tài)流時(shí)的旋轉(zhuǎn)加速度值可能會(huì)引起輸出圖形發(fā)生一個(gè)向上的位移。