周期性脉动流对涡轮流量计测量精度影响的分析

1 脉动流测量的空乏办法

几乎总计的管道流动都是抵制稳的,不论是层流状况、照旧湍流状况下总存在各种干扰。如果流动流体的某个参数如压力、速度或密度等一连爆发变换, 就把这种流动叫做脉动流。脉动流可以对仪表的测量精度发生影响,严正时会使得测量值失真,所以工业上弁急需要研讨流动进程中的脉动对流量计测量精度的影响。

脉动无时无处不在,但却出格难测量。直接测量脉动流几乎是不行能的,我们只有测量出脉动的首要参数,如幅值,频率及波形等,然后从这些参数中阐发出这个脉动可能给仪表输出带来什么样的影响。即使是测出脉动的参数也不是一件撙节的职责,妄图的办法是利用一些尤其仪表对管道内流动流体进行声学阐发来测出脉动参数。

若脉动频率较低,不领先管道已装配的流量仪表或压力变送器等能利用的频率上限,则从压力仪表的输出指针的摆动就可讲授脉动的存在。但要领悟脉动的各个参数值还需要具体的测量。经研讨发现脉动与流动速度有关而与静压无关。因此,可用测量qVrms/qV(qVrms是体积流量的最大脉动值;qV是体积流量的平均值)来领悟脉动情势。

以下是测量qVrms/qV的办法:

①测量脉动幅值,可以假定vrms/v≈qVrms/qV,v指管内的平均流速,vrms是管内流速的最大脉动量。可以在管道中离流量仪表很近的上游插入一个热式风速仪探针(热导线或热敏电阻),再用一个在线打算机展现流速最大脉动量的平方。

②当流量仪表离脉动源很近(如在小于脉动四分之一波长的地方)脉动的幅值和脉动源一样。可以从脉动源的体积、旋转速度等的变化估算出可能的幅值。这个办法虽然不是很合理,但却无须利用别的仪表。

③若流量仪表是一个差压式仪表,要导出脉动的幅值,就要测出任凭撙节器件的差压脉动的幅值Δprms/Δpps其成果将用来粗略预计脉动的幅值。这个值是随脉动频率的变化而变化的,从以下方程可以推出qVrms/qV的最大可能值:qVrms/qV≤Δprms/Δpps式中:Δprms为差压的最大脉动量,Δpps为在稳态流下测出的差压。

对流量变送器输出的原始数据进行波谱阐发,从而求出脉动情势。假定脉动频率并没有十全超出流量变送器的相应范围,那么在输出信号的波谱中,利用傅立叶波谱阐发仪即可测出脉动频率。

2 周期性脉动流对涡轮流量计测量精度影响的理论阐发

2.1数学模型的扶植和涡轮流量计动态特性阐发

当脉动频率超出某个范围时,涡轮流量计的测量值就会发生较大的差池。差池的起源首要有以下几个方面:旋转叶片的共振,齿轮的啮合(死板输出的涡轮流量计),转轴和齿轮的惯性,脉动流的形状,转轴的摩擦阻力等。因为总计的脉动情形都是由正弦波叠加而成,所以可以从阐发正弦脉动对涡轮流量计的测量值的影响下手来阐发周期性脉动的影响情势。

理论和实干均表明,将正弦量参与时不变妄图系统,其平乱状况下的响应是相仿频率的正弦输出量,但幅值和相位则决意于具体系统的动态特性。

涡轮流量计是一种速度式仪表,它是以动量矩守恒原理为本原的,流体伏击涡轮叶片,使涡轮旋转,涡轮的旋转速度随流量的变化而变化,终末从涡轮的转数求出流量值,任凭磁电更换装置(或死板输出装置)将涡轮转速变化成电脉冲,送入二次仪表进行打算和展现,由单位时刻电脉冲数和累计电脉冲数反映出瞬时流量和累计流量(见图1)。所以,只要得出涡轮转图　1速与流量的干系曲线就能阐发周期性脉动流对涡轮流量计测量精度的影响。由动量矩定理可知,涡轮的运动方程为式中:J为涡轮的转动惯量;ω为涡轮的旋转角速度;ΣM为功效在涡轮上的合力矩。式(1)再现一个一阶系统,一阶系统在单位正弦的功效下x(t)=sinω0t(t>0),其响应为当t趋向于无尽大时,

当涡轮流量计的型号一守时,其幅值A(ω0)就是一个常数,但相位角<=-arctgω0J不呈线性干系,所以输出可能会引起相位失真。我们需要领悟在什么条件下,可以较切确地测出输出量。令ω0=2πfp,fp为脉动频率,由此可知,随着脉动频率和转动惯量的添补,幅值越来越小,而相位角越来越大,即滞后时刻越来越长。可见,涡轮流量计所能测量的脉动频率有一定的范围,否则,就会导致展现较大的差池。

2.2正弦脉动流对测量精度影响的理论阐发

以型号为LW240的涡轮流量计为例进行阐发。

①定常流动时式

(1)变成:ΣM=M-ΣMi=0这里把ΣM分成了两部分,即驱动涡轮旋转的驱动力矩M,和障碍涡轮旋转的各种阻力矩ΣMi。

任凭阐发打算,驱动力矩为式中:θ为叶片与轴线之间的夹角;€r为涡轮平均半径;A为管道风行面积;ρ为流体密度;ω为涡轮的旋转角速度;q为任凭管道的流量。

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假定涡轮流量计管事在无阻力的妄图状况下,则涡轮的旋转角速度为　　当流量为正弦脉动,即q=asinωt时,涡轮旋转加速度ω是幅值为A)的同相位正弦脉动,其对涡轮流量计测量精度的影响几乎为零。

②非定常流动时

由于管内的流动频频不是一个定常流动,且涡轮在真原形况下还会受到阻力矩的影响,则式(1)为了处理省事,略去方程中的粘性阻力矩C1ηq,上式变为令q=asinωt,经过阐发整理,可以得出涡轮旋转加速度与脉动流各参数的干系:式中:C为平守时的ω值对于所研讨的涡轮流量计,其涡轮叶片的转动惯量J=21889×10-6kg·m2。则上式中的积分项可用以下流程图(见图2)加以打算。

2.3成果与阐发

2.3.1脉动流频率对测量精度的影响

经过谋区阐发,发现脉动流频率是影响精度的最关键因素,所加的正弦脉动流频率与稳态下涡轮旋转加速度的干系为 ωn=2πfp(1/…qm)€r2(…qm为平均质量流量)时,响应曲线与输入正弦曲线最为切近,与理论阐发本原切合。频繁变换脉动流频率参数,发现间或图形失真出格厉害,经过对多幅图形(如图3和图4)的阐发,发现如下循序:

①当脉动流频率fp小于角加速度ω,那么流量仪表的响应近似于输入脉冲,测量成果切近于真值;且频率越小,成果越切近,由此可知当脉冲频率远远小于涡轮旋转的角加速度时,仪表的测得值差池几乎为零。

②当脉冲频率fp大于角加速度ω,那么仪表的响应曲线起原失真,且频率fp与角加速度ω相差越大,其失真程度越大。

③脉动流的频率还影响输出图形的幅值大小,经阐发现察,频率越大,幅值越小;频率越小,幅值越大。

2.3.2在脉动流存在的情势下其它参数对测量精度的影响

对于形状不失果真响应曲线,其输出图形幅值还与其它参数有关,经研讨,影响较大的参数有涡轮流量计叶片的转动惯量J。若转动惯量J越小,输出图形的幅值越大;反之,J越大,输出图形的幅值越小。但J太大未必太小都市影响输出曲线的幅值失真过大,J取在(2～3)×10-6kg·m2时,其图形输出最好。

涡轮流量计叶片的初始旋转加速度C也将影响输出曲线。从参数阐发可知,其响应曲线与输入脉动曲线有一个位移,这个位移大小主若是与初始值C有关,即稳态流动时,旋转加速度越小,这个位移量越小,但小到一定值时,由于其它因素的影响(如流体粘性及死板摩擦阻力的影响等)又会使图形失真,对于被研讨的涡轮流量计,稳态旋转加速度值以大于2π为好。

3 结论

本文研讨了周期性脉动流对涡轮流量计的测量精度的影响情势,结论如下:

①脉动流的频率影响最大,当脉动流频率fp小于角加速度ω,那么流量仪表的响应与输入脉动流图形相通,测量成果切近于真值;

②转动惯量J对于输出图形幅值有影响;

③稳态流时的旋转加速度值可能会引起输出图形发生一个向上的位移。