測機油流量用流量計在測量管道流體脈動流時的特性規(guī)律
點擊次數(shù)：2746 發(fā)布時間：2021-01-19 15:14:18
1.1脈動流的產(chǎn)生
脈動常見于工業(yè)管流，它多由旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式壓氣機、鼓風(fēng)機和泵產(chǎn)生。有脈動輸出的泵（如隔膜泵、活塞泵、電磁泵、蠕動泵等）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(shè)備的周期振蕩，例如控制閥的振蕩，也是脈動的主要起因。流體在以較高的流速流過t型接頭中的直線管段時，常會引發(fā)三通中的*三只口內(nèi)流體脈動。脈動一旦形成就會在流體中傳播，不但可向脈動源的下游傳播，也可向其上游傳播。脈動經(jīng)一段距離的傳播常因壓縮作用而強度減弱。
所謂脈動流是指流體在測量區(qū)域的流速是時間的函數(shù),但在一個足夠長的時間段內(nèi)有一個恒定的平均值。脈動流的存在會導(dǎo)致流量計出現(xiàn)計量誤差,甚至不能正常工作。如何校正或減少脈動對流量測量特性的影響,是流量測量中比較重要的課題。本文對測機油流量用流量計在脈動流中的特性進行了研究。利用渦輪流量傳感器的數(shù)學(xué)模型,求出了在正弦脈動流作用下的角加速度與脈動頻率及振幅的理論關(guān)系式,通過對不同脈動頻率和振幅下測機油流量用流量計誤差的編程計算,總結(jié)并驗證了脈動流對測機油流量用流量計誤差的影響規(guī)律。
1.2、脈動對測機油流量用流量計流量測量的影響
對于有固定周期的脈動流，可用周期來描述其脈動出現(xiàn)的頻繁程度。一個周期有的可能要數(shù)小時，有的可能只需幾秒鐘。周期長、幅值較小的脈動，一般說來各種流量計都能跟蹤這種變化，同時保持它們參比條件下的準(zhǔn)確度。
周期短、幅值較大的脈動，對除容積式流量計之外的絕大多數(shù)種類流量計都有較顯著影響，出現(xiàn)較大誤差。
2. 1、誤差方程及其計算
應(yīng)用機翼理論來分析作用在渦輪轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩和阻力矩,可得到其運動方程:
式中, J為葉片轉(zhuǎn)動慣量, θ為葉片與軸線之間的夾角, 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(zhuǎn)角速度, Q為通過管道的流量。
若把脈動流表示為Q= asin2πfp t ,經(jīng)分析整理,可得出渦輪旋轉(zhuǎn)加速度與脈動流各參數(shù)的關(guān)系:其中, c為穩(wěn)態(tài)時的ω值。此時其顯示誤差可用下式表示: E= ω/c- 1對特定的測機油流量用流量計和不同的脈動流,可編程計算出( 2)式在脈動周期內(nèi)各離散點所對應(yīng)的ω( t ) , 據(jù)此可計算出測機油流量用流量計顯示誤差E,并畫出相應(yīng)曲線。
2. 2 結(jié)果與分析
經(jīng)過計算分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致測機油流量用流量計產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動流的振幅和頻率,通過對多幅圖形的比較,發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律:
1)從曲線分布的象限來看,脈動流導(dǎo)致測機油流量用流量計出現(xiàn)一個正誤差。當(dāng)流體存在脈動時,在加速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動慣量能引起轉(zhuǎn)子速度變慢,落后于定常流時的轉(zhuǎn)速; 在減速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動慣量能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度加快,超過定常流時的轉(zhuǎn)速。由于加速時的影響比減速時的影響小得多,因此,脈動流存在時流量計顯示的平均流速遠(yuǎn)大于平均流量,出現(xiàn)正誤差,此誤差有時*大可達50%。
2)當(dāng)脈動頻率fP小于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時,測機油流量用流量計類似輸入脈沖,測量結(jié)果接近真值,脈動流所引起的誤差很小。當(dāng)脈動頻率fP 大于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時,響應(yīng)失真,會引起較大誤差,且隨著頻率的增大,誤差隨著增大,*終趨于穩(wěn)定(如圖1,圖2)。
3)當(dāng)脈動頻率大于渦輪轉(zhuǎn)子的角加速度時,頻率脈動振幅的變化能引起測機油流量用流量計的測量誤差產(chǎn)生大的改變,此誤差隨著脈動振幅的增大而升高,*大可達50% ,但*終趨于穩(wěn)定(如圖3,圖4, a 為脈動振幅與穩(wěn)態(tài)振幅之比)。
3、結(jié)論
從以上分析計算可知,脈動流使測機油流量用流量計產(chǎn)生一個正的系統(tǒng)誤差,該誤差受脈動頻率和振幅的影響。當(dāng)脈動頻率小于角加速度時,其誤差可認(rèn)為為零; 當(dāng)脈動振幅小于某一振幅值時,其誤差亦可認(rèn)為不影響測機油流量用流量計的精度。脈動流對測機油流量用流量計測量精確度的影響存在極限值
脈動常見于工業(yè)管流，它多由旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式壓氣機、鼓風(fēng)機和泵產(chǎn)生。有脈動輸出的泵（如隔膜泵、活塞泵、電磁泵、蠕動泵等）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(shè)備的周期振蕩，例如控制閥的振蕩，也是脈動的主要起因。流體在以較高的流速流過t型接頭中的直線管段時，常會引發(fā)三通中的*三只口內(nèi)流體脈動。脈動一旦形成就會在流體中傳播，不但可向脈動源的下游傳播，也可向其上游傳播。脈動經(jīng)一段距離的傳播常因壓縮作用而強度減弱。
所謂脈動流是指流體在測量區(qū)域的流速是時間的函數(shù),但在一個足夠長的時間段內(nèi)有一個恒定的平均值。脈動流的存在會導(dǎo)致流量計出現(xiàn)計量誤差,甚至不能正常工作。如何校正或減少脈動對流量測量特性的影響,是流量測量中比較重要的課題。本文對測機油流量用流量計在脈動流中的特性進行了研究。利用渦輪流量傳感器的數(shù)學(xué)模型,求出了在正弦脈動流作用下的角加速度與脈動頻率及振幅的理論關(guān)系式,通過對不同脈動頻率和振幅下測機油流量用流量計誤差的編程計算,總結(jié)并驗證了脈動流對測機油流量用流量計誤差的影響規(guī)律。
1.2、脈動對測機油流量用流量計流量測量的影響
對于有固定周期的脈動流，可用周期來描述其脈動出現(xiàn)的頻繁程度。一個周期有的可能要數(shù)小時，有的可能只需幾秒鐘。周期長、幅值較小的脈動，一般說來各種流量計都能跟蹤這種變化，同時保持它們參比條件下的準(zhǔn)確度。
周期短、幅值較大的脈動，對除容積式流量計之外的絕大多數(shù)種類流量計都有較顯著影響，出現(xiàn)較大誤差。
2. 1、誤差方程及其計算
應(yīng)用機翼理論來分析作用在渦輪轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩和阻力矩,可得到其運動方程:
式中, J為葉片轉(zhuǎn)動慣量, θ為葉片與軸線之間的夾角, 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(zhuǎn)角速度, Q為通過管道的流量。
若把脈動流表示為Q= asin2πfp t ,經(jīng)分析整理,可得出渦輪旋轉(zhuǎn)加速度與脈動流各參數(shù)的關(guān)系:其中, c為穩(wěn)態(tài)時的ω值。此時其顯示誤差可用下式表示: E= ω/c- 1對特定的測機油流量用流量計和不同的脈動流,可編程計算出( 2)式在脈動周期內(nèi)各離散點所對應(yīng)的ω( t ) , 據(jù)此可計算出測機油流量用流量計顯示誤差E,并畫出相應(yīng)曲線。
2. 2 結(jié)果與分析
經(jīng)過計算分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致測機油流量用流量計產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動流的振幅和頻率,通過對多幅圖形的比較,發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律:
1)從曲線分布的象限來看,脈動流導(dǎo)致測機油流量用流量計出現(xiàn)一個正誤差。當(dāng)流體存在脈動時,在加速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動慣量能引起轉(zhuǎn)子速度變慢,落后于定常流時的轉(zhuǎn)速; 在減速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動慣量能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度加快,超過定常流時的轉(zhuǎn)速。由于加速時的影響比減速時的影響小得多,因此,脈動流存在時流量計顯示的平均流速遠(yuǎn)大于平均流量,出現(xiàn)正誤差,此誤差有時*大可達50%。
2)當(dāng)脈動頻率fP小于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時,測機油流量用流量計類似輸入脈沖,測量結(jié)果接近真值,脈動流所引起的誤差很小。當(dāng)脈動頻率fP 大于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時,響應(yīng)失真,會引起較大誤差,且隨著頻率的增大,誤差隨著增大,*終趨于穩(wěn)定(如圖1,圖2)。
3)當(dāng)脈動頻率大于渦輪轉(zhuǎn)子的角加速度時,頻率脈動振幅的變化能引起測機油流量用流量計的測量誤差產(chǎn)生大的改變,此誤差隨著脈動振幅的增大而升高,*大可達50% ,但*終趨于穩(wěn)定(如圖3,圖4, a 為脈動振幅與穩(wěn)態(tài)振幅之比)。
3、結(jié)論
從以上分析計算可知,脈動流使測機油流量用流量計產(chǎn)生一個正的系統(tǒng)誤差,該誤差受脈動頻率和振幅的影響。當(dāng)脈動頻率小于角加速度時,其誤差可認(rèn)為為零; 當(dāng)脈動振幅小于某一振幅值時,其誤差亦可認(rèn)為不影響測機油流量用流量計的精度。脈動流對測機油流量用流量計測量精確度的影響存在極限值