關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  技術支持：聯儀自控有限公司   編號：200905261

摘要：本文講解了產生脈動流的原因，對最基本的周期性脈動流——按正玄規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域的流速是時間的函數，在一個足夠長的時間段內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、壓力盒溫度上出現連續的、無規則的、隨機的波動。導致波動產生的原因有很多種，可因旋轉動力機械，如旋轉或往復式發送機、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節器的往復開關及流體管道裝置、閥門或旋轉的機械裝置等分流造成，還可以因為流體系統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，通常它的雷諾數小于2 000，而大多數工業管流均有較高的雷諾數，而且會出現湍流現象，所以它也是一種統計意義上的定常流。脈動流的存在會導致流量計出現計量誤差，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，例如脈動流的幅值、頻率和波形，然后通過這些參數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，但該技術僅能用于液體，其傳送器和接收器安裝在管道外壁，可根據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，如果已經知道其流動速度v和渦輪流量計轉子葉片中心的切線速度v1則二者之間的關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的常數；⊙為葉片與轉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開始發生變化時，渦輪速度與流體速度會出現短暫差異，從而引起流量計出現測量誤差。

從公式中可知，時間常數t1與平均速度和階躍擾動的振幅直接有關。流體速度增大會引起t1發生變化，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出現一個正的誤差。

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律變化，并可表示為

3、  試驗結果

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，經過整流器后進入標準孔板，經足夠長的管道后，到脈動發上去，在特定信號做喲哦那個下脈動發生器產生按一定規律變化的脈動流，改脈動流經流量調節器后進入渦輪流量計。標準孔板采用圖3所示測量系統，改系統采用可換孔板的節流裝置，確保孔板在管道中的垂直度和同心度符合國家標準，信號轉換部分應用差壓變送器，能對現場壓力、溫度、雷諾數進行在線補償，采用時間為10us，積算周期為5s。脈動發生器采用變頻調速器控制，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上去信號的實際變化情況。

實驗結果如下圖中虛線所示，從下圖可以看出，試驗結果與數值計算基本吻合。

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