[導讀] 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
1 脈動流測量的空乏辦法
幾乎總計的管道流動都是抵制穩的,不論是層流狀況、照舊湍流狀況下總存在各種干擾。如果流動流體的某個參數如壓力、速度或密度等一連爆發變換, 就把這種流動叫做脈動流。脈動流可以對儀表的測量精度發生影響,嚴正時會使得測量值失真,所以工業上弁急需要研討流動進程中的脈動對流量計測量精度的影響。
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,如幅值,頻率及波形等,然后從這些參數中闡發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也不是一件撙節的職責,妄圖的辦法是利用一些尤其儀表對管道內流動流體進行聲學闡發來測出脈動參數。
若脈動頻率較低,不領先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講授脈動的存在。但要領悟脈動的各個參數值還需要具體的測量。經研討發現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:
①測量脈動幅值,可以假定vrms/v≈qVrms/qV,v指管內的平均流速,vrms是管內流速的最大脈動量。可以在管道中離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流速最大脈動量的平方。
②當流量儀表離脈動源很近(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。可以從脈動源的體積、旋轉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為在穩態流下測出的差壓。
對流量變送器輸出的原始數據進行波譜闡發,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
2.1數學模型的扶植和渦輪流量計動態特性闡發
當脈動頻率超出某個范圍時,渦輪流量計的測量值就會發生較大的差池。差池的起源首要有以下幾個方面:旋轉葉片的共振,齒輪的嚙合(死板輸出的渦輪流量計),轉軸和齒輪的慣性,脈動流的形狀,轉軸的摩擦阻力等。因為總計的脈動情形都是由正弦波疊加而成,所以可以從闡發正弦脈動對渦輪流量計的測量值的影響下手來闡發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,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的動態特性。
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,渦輪的旋轉速度隨流量的變化而變化,終末從渦輪的轉數求出流量值,任憑磁電更換裝置(或死板輸出裝置)將渦輪轉速變化成電脈沖,送入二次儀表進行打算和展現,由單位時刻電脈沖數和累計電脈沖數反映出瞬時流量和累計流量(見圖1)。所以,只要得出渦輪轉圖 1速與流量的干系曲線就能闡發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為渦輪的轉動慣量;ω為渦輪的旋轉角速度;ΣM為功效在渦輪上的合力矩。式(1)再現一個一階系統,一階系統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,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。可見,渦輪流量計所能測量的脈動頻率有一定的范圍,否則,就會導致展現較大的差池。
2.2正弦脈動流對測量精度影響的理論闡發
以型號為LW240的渦輪流量計為例進行闡發。
①定常流動時式
(1)變成:ΣM=M-ΣMi=0這里把ΣM分成了兩部分,即驅動渦輪旋轉的驅動力矩M,和障礙渦輪旋轉的各種阻力矩ΣMi。
任憑闡發打算,驅動力矩為式中: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為渦輪的旋轉角速度;q為任憑管道的流量。
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假定渦輪流量計管事在無阻力的妄圖狀況下,則渦輪的旋轉角速度為 當流量為正弦脈動,即q=asinωt時,渦輪旋轉加速度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。
②非定常流動時
由于管內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,上式變為令q=asinωt,經過闡發整理,可以得出渦輪旋轉加速度與脈動流各參數的干系: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
2.3.1脈動流頻率對測量精度的影響
經過謀區闡發,發現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態下渦輪旋轉加速度的干系為 ωn=2πfp(1/…qm)€r2(…qm為平均質量流量)時,響應曲線與輸入正弦曲線最為切近,與理論闡發本原切合。頻繁變換脈動流頻率參數,發現間或圖形失真出格厲害,經過對多幅圖形(如圖3和圖4)的闡發,發現如下循序:
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的角加速度時,儀表的測得值差池幾乎為零。
②當脈沖頻率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。
③脈動流的頻率還影響輸出圖形的幅值大小,經闡發現察,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有關,經研討,影響較大的參數有渦輪流量計葉片的轉動慣量J。若轉動慣量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加速度C也將影響輸出曲線。從參數闡發可知,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,即穩態流動時,旋轉加速度越小,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,穩態旋轉加速度值以大于2π為好。
3 結論
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;
②轉動慣量J對于輸出圖形幅值有影響;
③穩態流時的旋轉加速度值可能會引起輸出圖形發生一個向上的位移。