1.1脈動(dòng)流的產(chǎn)生

脈動(dòng)常見于工業(yè)管流，它多由旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式壓氣機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)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(shè)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t型接頭中的直線管段時(shí)，常會(huì)引發(fā)三通中的*三只口內(nèi)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(qiáng)度減弱。

所謂脈動(dòng)流是指流體在測(cè)量區(qū)域的流速是時(shí)間的函數(shù),但在一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)有一個(gè)恒定的平均值。脈動(dòng)流的存在會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)出現(xiàn)計(jì)量誤差,甚至不能正常工作。如何校正或減少脈動(dòng)對(duì)流量測(cè)量特性的影響,是流量測(cè)量中比較重要的課題。本文對(duì)渦輪流量計(jì)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(shù)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,通過對(duì)不同脈動(dòng)頻率和振幅下渦輪流量計(jì)誤差的編程計(jì)算,總結(jié)并驗(yàn)證了脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)誤差的影響規(guī)律。

1.2、脈動(dòng)對(duì)脈沖液體渦輪流量計(jì)流量測(cè)量的影響

對(duì)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(xiàn)的頻繁程度。一個(gè)周期有的可能要數(shù)小時(shí)，有的可能只需幾秒鐘。周期長(zhǎng)、幅值較小的脈動(dòng)，一般說來(lái)各種流量計(jì)都能跟蹤這種變化，同時(shí)保持它們參比條件下的準(zhǔn)確度。

周期短、幅值較大的脈動(dòng)，對(duì)除容積式流量計(jì)之外的絕大多數(shù)種類流量計(jì)都有較顯著影響，出現(xiàn)較大誤差。

2. 1、誤差方程及其計(jì)算

應(yīng)用機(jī)翼理論來(lái)分析作用在渦輪轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩,可得到其運(yùn)動(dòng)方程:

式中, J為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)流各參數(shù)的關(guān)系:其中, c為穩(wěn)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(duì)特定的渦輪流量計(jì)和不同的脈動(dòng)流,可編程計(jì)算出( 2)式在脈動(dòng)周期內(nèi)各離散點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的ω( t ) , 據(jù)此可計(jì)算出渦輪流量計(jì)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(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致渦輪流量計(jì)產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動(dòng)流的振幅和頻率,通過對(duì)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(lái)看,脈動(dòng)流導(dǎo)致渦輪流量計(jì)出現(xiàn)一個(gè)正誤差。當(dāng)流體存在脈動(dòng)時(shí),在加速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能引起轉(zhuǎn)子速度變慢,落后于定常流時(shí)的轉(zhuǎn)速; 在減速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度加快,超過定常流時(shí)的轉(zhuǎn)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(jì)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(shí)*大可達(dá)50%。

2)當(dāng)脈動(dòng)頻率fP小于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時(shí),渦輪流量計(jì)類似輸入脈沖,測(cè)量結(jié)果接近真值,脈動(dòng)流所引起的誤差很小。當(dāng)脈動(dòng)頻率fP 大于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時(shí),響應(yīng)失真,會(huì)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(dòng)頻率大于渦輪轉(zhuǎn)子的角加速度時(shí),頻率脈動(dòng)振幅的變化能引起渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差產(chǎn)生大的改變,此誤差隨著脈動(dòng)振幅的增大而升高,*大可達(dá)50% ,但*終趨于穩(wěn)定(如圖3,圖4, a 為脈動(dòng)振幅與穩(wěn)態(tài)振幅之比)。

3、結(jié)論

從以上分析計(jì)算可知,脈動(dòng)流使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生一個(gè)正的系統(tǒng)誤差,該誤差受脈動(dòng)頻率和振幅的影響。當(dāng)脈動(dòng)頻率小于角加速度時(shí),其誤差可認(rèn)為為零; 當(dāng)脈動(dòng)振幅小于某一振幅值時(shí),其誤差亦可認(rèn)為不影響渦輪流量計(jì)的精度。脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精確度的影響存在*限值