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脉动流对涡轮流量计测量误差有哪些计算影响
发布日期:2018-07-28 09:20
   涡轮流量计的输出是频率调制式信号,不仅提高了检测电路的抗干扰性,而且简化了流量检测系统。它的量程比可达10:1,精度在±0.2%以内。惯性小而且尺寸小的涡轮流量计的时间常数可达0.01秒。这些流体通常在速度、压力和温度上出现连续(Continuity)的、无规则的、随机的波动。导致(使产生,促成)波动产生的原因有多种,可因旋转动力机械,如旋转或往复式发动机、压缩机(compressor)和鼓风机造成,可由工作(WORK)管道的振动,特别是共振造成,也可由流量(单位:立方米每秒)控制器的周期性动作和调节器的往复开关及流体管道装置、阀或旋转机械分流造成,还可因流体系统(system)的几何特征而引起的流体力学(lìxué)振动和多段流而引起。脉动流的存在会导致流量计出现计量误差,甚至不能正常工作,其中尤以差压式流量计、涡轮流量计和涡街流量计对其最为敏感(感觉敏锐)。如何校正或最大化减少脉动对流量测量(cèliáng)特性的影响(influence),是流量测量中比较重要的课题。

  1脉动流特性参数的主要测量方法

  脉动无处无时不在,但测量却非常困难,直接测量脉动流几乎是不可能的,我们通常测量出脉动流的主要参数,如幅值、频率和波形,然后通过这些参数分析脉动可能给流量计造成的影响。通常主要的测量方法有非接触方法和接触方法。

  非接触方法包括光学(optics)方法和声学方法。光学方法主要采用LDA,此技术(Technology)可测出管轴(Shaft)线处的点速度,并对脉动流振幅和波形作出估算。声学方法主要采用DopplerShift,该技术仅用于液体,其传送器和接受器安装在管道外壁,可据其测得的充分发展的瞬时速度剖面精确(精准)计算其脉动特性。接触方法主要是热线风速仪法,可用来测量脉动点速度,它具有足够的测量频宽,可采用在线计算机显示流速的最大脉动量。

  2脉动流对涡轮流量计测量误差的影响

  2.1误差方程及其计算

  涡轮流量计以动量矩守恒原理(基本的规律)为基础,是一种速度式流量仪表。对非稳定流,由于转子(rotor)叶片和相关(related)传动装置的共振、转子的转动惯量、脉动流的形状、转子和齿轮的摩擦阻力及转子瞬时转矩等诸多因素(factor)的影响,会使涡轮流量计产生很大的误差。

  应用机翼理论来分析作用在转子上的驱动力矩和阻力矩,可得到其运动(sport)方程:Jdωdt=tgθArρq2-r2ωρq

  (1)式中:J为叶片转动惯量;θ为叶片与轴线之间的夹角;r为涡轮叶片的平均半径;A为管道流道面积;ρ为流体密度;ω为涡轮的旋转角速度;q为通过管道的流量。若把脉动流表示为q=asin2πfpt,经分析整理,可得出涡轮旋转加速度与脉动流各参数的关系:ω(t)=ce(r2ρ/2πfpJ)(cos2πfpt-1)+e(ar2ρ/2πfpJ)(cos2πfpt-1)×∫t0tgθrρAJa2sin22πfpte(ar2ρ/2πfpJ)(1-cos2πfpt)dt

  (2)式中:c为稳态时的ω值。此时其测量误差可用下式表示:E=ω/c-1

  (3)对特定的涡轮流量计和不同的脉动流,可编程计算出式(2)在脉动周期内各离散点所对应的ω(t),据此可计算出涡轮流量计测量误差E。

  2.2结果与分析

  经过计算分析,发现导致涡轮流量计产生误差的主要因素是脉动流的振幅和频率,通过对多幅图形的比较,发现有如下规律:

  ①从曲线分布的象限来看,脉动流导致涡轮(Turbo)流量计出现一个正偏差。涡轮流量计它先将流速转换为涡轮的转速,再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量,其输出信号为频率,易于数字化。图中感应线圈和永久磁铁一起固定在壳体上。当铁磁性涡轮叶片经过磁铁时,磁路的磁阻发生变化,从而产生感应信号。信号经放大器放大和整形,送到计数器或频率计,显示总的积算流量。同时将脉冲频率经过频率-电压转换以指示瞬时流量。叶轮的转速正比于流量,叶轮的转数正比于流过的总量。涡轮流量计的输出是频率调制式信号,不仅提高了检测电路的抗干扰性,而且简化了流量检测系统。它的量程比可达10:1,精度在±0.2%以内。惯性小而且尺寸小的涡轮流量计的时间常数可达0.01秒。涡街流量计该产品具有电路先进、功耗微低、量程比宽、结构简单、阻力损失小、坚固耐用、用途广、使用寿命长、工作稳定、便于安装调试等特点。是根据卡门涡街原理(KármánVortexStreet)测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。并可作为流量变送器应用于自动化控制系统中。当流体出现脉动时,在加速流体中,叶片的转动惯量能引起转子速度变慢,落后于定常流时的转速(RotationalSpeed);在减速流体中,叶片的转动惯量能导致转子速度加快,超过定常流时的转速。由于加速时的影响(influence)比减速时的影响小得多,因此,脉动流出现时流量计显示的平均流速远大于平均流量,出现正误差,此误差有时最大可达50%。

  ②当脉动频率(frequency)fp小于涡轮转子的角频率ω时,测量结果接近真值,脉动流所引起的误差很小。涡轮流量计它先将流速转换为涡轮的转速,再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量,其输出信号为频率,易于数字化。图中感应线圈和永久磁铁一起固定在壳体上。当铁磁性涡轮叶片经过磁铁时,磁路的磁阻发生变化,从而产生感应信号。信号经放大器放大和整形,送到计数器或频率计,显示总的积算流量。同时将脉冲频率经过频率-电压转换以指示瞬时流量。叶轮的转速正比于流量,叶轮的转数正比于流过的总量。涡轮流量计的输出是频率调制式信号,不仅提高了检测电路的抗干扰性,而且简化了流量检测系统。它的量程比可达10:1,精度在±0.2%以内。惯性小而且尺寸小的涡轮流量计的时间常数可达0.01秒。当脉动频率fp大于涡轮转子的角频率ω时,响应失真,会引起较大误差,且随着频率的增大,误差随着增大,最终趋于稳定。

  ③当脉动频率大于涡轮转子的角加速度时,脉动振幅的变化能引起涡轮流(taketurns)量(单位:立方米每秒)计的测量(cèliáng)误差产生大的改变,此误差随着脉动振幅的增大而升高(shēnggāo),最大可达50%,但最终趋于稳定。从以上分析计算可知,脉动流使涡轮流量计产生一个正的系统误差,该误差受脉动频率和振幅的影响。当脉动频率小于角加速度时,其误差可以认为为零;当脉动振幅小于某一振幅值时,其误差亦可认为不影响涡轮流量计的精度。脉动流对涡轮流量计测量精度的影响存在极限值。
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