柴油流量計在測量管道流體脈動(dòng)流時(shí)的特性規律

1.1脈動(dòng)流的產(chǎn)生
脈動(dòng)常見(jiàn)于工業(yè)管流，它多由旋轉式或往復式壓氣機、鼓風(fēng)機和泵產(chǎn)生。有脈動(dòng)輸出的泵（如隔膜泵、活塞泵、電磁泵、蠕動(dòng)泵等）出口的液體狀態(tài)，由于泵是周期性工作，出口流量是呈脈沖狀。管道中流體的共振和流量控制設備的周期振蕩，例如控制閥的振蕩，也是脈動(dòng)的主要起因。流體在以較高的流速流過(guò)t型接頭中的直線(xiàn)管段時(shí)，常會(huì )引發(fā)三通中的第三只口內流體脈動(dòng)。脈動(dòng)一旦形成就會(huì )在流體中傳播，不但可向脈動(dòng)源的下游傳播，也可向其上游傳播。脈動(dòng)經(jīng)一段距離的傳播常因壓縮作用而強度減弱。
所謂脈動(dòng)流是指流體在測量區域的流速是時(shí)間的函數,但在一個(gè)足夠長(cháng)的時(shí)間段內有一個(gè)恒定的平均值。脈動(dòng)流的存在會(huì )導致流量計出現計量誤差,甚至不能正常工作。如何校正或減少脈動(dòng)對流量測量特性的影響,是流量測量中比較重要的課題。本文對柴油流量計在脈動(dòng)流中的特性進(jìn)行了研究。利用渦輪流量傳感器的數學(xué)模型,求出了在正弦脈動(dòng)流作用下的角加速度與脈動(dòng)頻率及振幅的理論關(guān)系式,通過(guò)對不同脈動(dòng)頻率和振幅下柴油流量計誤差的編程計算,總結并驗證了脈動(dòng)流對柴油流量計誤差的影響規律。
1.2、脈動(dòng)對柴油流量計流量測量的影響
對于有固定周期的脈動(dòng)流，可用周期來(lái)描述其脈動(dòng)出現的頻繁程度。一個(gè)周期有的可能要數小時(shí)，有的可能只需幾秒鐘。周期長(cháng)、幅值較小的脈動(dòng)，一般說(shuō)來(lái)各種流量計都能跟蹤這種變化，同時(shí)保持它們參比條件下的準確度。
周期短、幅值較大的脈動(dòng)，對除容積式流量計之外的絕大多數種類(lèi)流量計都有較顯著(zhù)影響，出現較大誤差。
2. 1、誤差方程及其計算
應用機翼理論來(lái)分析作用在渦輪轉子上的驅動(dòng)力矩和阻力矩,可得到其運動(dòng)方程:
式中, J為葉片轉動(dòng)慣量, θ為葉片與軸線(xiàn)之間的夾角, r 為渦輪葉片的平均半徑, A為管道流道面積,ρ為流體密度,ω為渦輪的旋轉角速度, Q為通過(guò)管道的流量。
若把脈動(dòng)流表示為Q= asin2πfp t ,經(jīng)分析整理,可得出渦輪旋轉加速度與脈動(dòng)流各參數的關(guān)系:其中, c為穩態(tài)時(shí)的ω值。此時(shí)其顯示誤差可用下式表示: E= ω/c- 1對特定的柴油流量計和不同的脈動(dòng)流,可編程計算出( 2)式在脈動(dòng)周期內各離散點(diǎn)所對應的ω( t ) , 據此可計算出柴油流量計顯示誤差E,并畫(huà)出相應曲線(xiàn)。
2. 2　結果與分析
經(jīng)過(guò)計算分析,發(fā)現導致柴油流量計產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動(dòng)流的振幅和頻率,通過(guò)對多幅圖形的比較,發(fā)現有如下規律:
1)從曲線(xiàn)分布的象限來(lái)看,脈動(dòng)流導致柴油流量計出現一個(gè)正誤差。當流體存在脈動(dòng)時(shí),在加速流體中,葉片的轉動(dòng)慣量能引起轉子速度變慢,落后于定常流時(shí)的轉速; 在減速流體中,葉片的轉動(dòng)慣量能導致轉子速度加快,超過(guò)定常流時(shí)的轉速。由于加速時(shí)的影響比減速時(shí)的影響小得多,因此,脈動(dòng)流存在時(shí)流量計顯示的平均流速遠大于平均流量,出現正誤差,此誤差有時(shí)最大可達50%。
2)當脈動(dòng)頻率fP小于渦輪轉子的角頻率ω時(shí),柴油流量計類(lèi)似輸入脈沖,測量結果接近真值,脈動(dòng)流所引起的誤差很小。當脈動(dòng)頻率fP 大于渦輪轉子的角頻率ω時(shí),響應失真,會(huì )引起較大誤差,且隨著(zhù)頻率的增大,誤差隨著(zhù)增大,最終趨于穩定(如圖1,圖2)。
3)當脈動(dòng)頻率大于渦輪轉子的角加速度時(shí),頻率脈動(dòng)振幅的變化能引起柴油流量計的測量誤差產(chǎn)生大的改變,此誤差隨著(zhù)脈動(dòng)振幅的增大而升高,最大可達50% ,但最終趨于穩定(如圖3,圖4, a 為脈動(dòng)振幅與穩態(tài)振幅之比)。
3、結論
從以上分析計算可知,脈動(dòng)流使柴油流量計產(chǎn)生一個(gè)正的系統誤差,該誤差受脈動(dòng)頻率和振幅的影響。當脈動(dòng)頻率小于角加速度時(shí),其誤差可認為為零; 當脈動(dòng)振幅小于某一振幅值時(shí),其誤差亦可認為不影響柴油流量計的精度。脈動(dòng)流對柴油流量計測量精確度的影響存在極限值

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