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在正弦脈動(dòng)氣體流下渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差對(duì)正弦脈動(dòng)氣體流中ZN渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究.利用ZNT渦輪流量計(jì)在氣體流中的數(shù)學(xué)模型,求出了在正弦脈動(dòng)流作用下的ZN渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差與脈動(dòng)參數(shù)之間的理論關(guān)系式,并針對(duì)脈動(dòng)流計(jì)算了ZN渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差.設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值較為吻合. 1 脈動(dòng)流的特性及主要測(cè)量方法 ZNT渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)對(duì)其敏感.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)按正弦規(guī)律變化的脈動(dòng)流對(duì)ZNT渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差的影響做了探討. 脈動(dòng)流無(wú)時(shí)無(wú)處不在,但脈動(dòng)流的測(cè)量卻非常困難,我們通常測(cè)量出脈動(dòng)流的主要參數(shù),例如脈動(dòng)流的幅值、頻率和波形,然后通過(guò)這些參數(shù)分析脈動(dòng)流可能給流量計(jì)造成的影響.通常主要的測(cè)量方法有非接觸方法和接觸方法.非接觸方法包括光學(xué)方法和聲學(xué)方法.光學(xué)方法主要采用LDA,此技術(shù)可測(cè)出管軸線處的點(diǎn)速度,并對(duì)脈動(dòng)振幅和波形做出估算.聲學(xué)方法主要采用多普勒頻移,該技術(shù)僅用于液體,其傳送器和接受器安裝在管道外壁,可根據(jù)其測(cè)得的充分發(fā)展的瞬時(shí)速度剖面精確計(jì)算其脈動(dòng)特性.接觸方法主要是熱線風(fēng)速儀法,可用來(lái)測(cè)量脈動(dòng)流的點(diǎn)速度,它具有足夠的測(cè)量頻寬,可采用在線計(jì)算機(jī)顯示流速的脈動(dòng)量[1,2]. 2 脈動(dòng)氣體流對(duì)ZNT渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差影響的理論分析 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,這個(gè)值取決于脈動(dòng)流的流動(dòng)規(guī)律.脈動(dòng)流分為周期性脈動(dòng)流和隨機(jī)脈動(dòng)流,通常提及的脈動(dòng)流大多指周期性脈動(dòng)流.隨機(jī)脈動(dòng)流體通常在速度、壓力和溫度上出現(xiàn)連續(xù)的、無(wú)規(guī)則的、隨機(jī)的波動(dòng).導(dǎo)致波動(dòng)產(chǎn)生的原因有多種,可因旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械,如旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)或水泵造成,可由工作管道的振動(dòng)、特別是共振造成,也可由流量控制器的周期性動(dòng)作和調(diào)節(jié)器的往復(fù)開(kāi)關(guān)及流體管道裝置、閥門(mén)或旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置等分流造成,還可因流體系統(tǒng)的幾何特征而引起的流體力學(xué)振動(dòng)和多段流而引起.脈動(dòng)流的存在會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)出現(xiàn)測(cè)量誤差,甚至不能正常工作,其中尤以差壓式流量計(jì)、 ZNT渦輪流量計(jì)以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ),是一種速度式流量?jī)x表.對(duì)氣體流量而言,如果已知其流動(dòng)速度v和ZNT渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子葉片中心的切線速度w,則二者之間的關(guān)系可由下列非線性微分方程確定[3]. 式中,C為流量計(jì)常數(shù),θ為葉片與轉(zhuǎn)子中心軸線之間的夾角,通常取其為45°方程（1）假定渦輪加速所需的旋轉(zhuǎn)力矩由氣體脈動(dòng)流所引起的變化力矩來(lái)提供,忽略磨擦. 對(duì)定常流,w=v,但是當(dāng)氣體流動(dòng)速度從它的平均值v0開(kāi)始發(fā)生變化時(shí),渦輪速度與流體速度會(huì)出現(xiàn)短暫差異,從而引起流量計(jì)出現(xiàn)測(cè)量誤差. 為了解式（1）對(duì)脈動(dòng)振幅αv0（α為脈動(dòng)強(qiáng)度,取值在0與1之間）的響應(yīng),對(duì)式（1）進(jìn)行拉氏變換,得到 CsL（s）-C0+vL（s）=v2/s 其中,s為拉氏變換變量.對(duì)上式進(jìn)行拉氏反變換,并代入v=（1±α）v0,整理后得到: 式中,τ1=c/[（1±α）v0]. 從式（2）可知,時(shí)間常數(shù)τ1與平均流速v0、脈動(dòng)強(qiáng)度α有關(guān).流體速度增大會(huì)引起τ1發(fā)生變化,但τ1的變化率比速度的變化率要小些,因此,周期性脈動(dòng)將導(dǎo)致儀表讀數(shù)出現(xiàn)一個(gè)正的誤差. 為估計(jì)脈動(dòng)流所引起的流量計(jì)測(cè)量誤差,假定脈動(dòng)流按正弦規(guī)律變化,并可表示為: v=v0（1+sinωt） （3） 對(duì)方程（1）,要解出其對(duì)正弦輸入的精確響應(yīng)比較困難,但是有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,輸入一個(gè)正弦變化的脈動(dòng),渦輪的速度響應(yīng)也呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律.因此,渦輪速度的變化可近似表示為: w=v0+Δw0+kv0sin（ωt+φ） （4） 式中,Δw0是由脈動(dòng)引起的流量計(jì)平均讀數(shù)誤差;k是與脈動(dòng)振幅有關(guān)的渦輪轉(zhuǎn)子的速度因子;φ為相移. 將式（3）、式（4）代入式（1）中,忽略所有的高次諧波,對(duì)正弦脈動(dòng)輸入的響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化形式可表示為: 式中,τ=C/v0. 從式（5）可知,由脈動(dòng)引起的誤差取決于脈動(dòng)振幅αv0、平均流速v0.以及流量計(jì)常數(shù)C.當(dāng)ω趨向無(wú)窮大時(shí),相對(duì)誤差趨向值α2/2,此值取決于α,當(dāng)脈動(dòng)振幅為脈動(dòng)振幅（α=1）時(shí),的相對(duì)誤差可達(dá)50%. 以脈動(dòng)頻率ω與儀表時(shí)間常數(shù)τ的乘積為對(duì)數(shù)橫坐標(biāo),以流量計(jì)相對(duì)誤差為縱坐標(biāo),畫(huà)出式（5）的變化曲線,如圖1中實(shí)線所示.圖中實(shí)線為理論計(jì)算曲線,虛線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線.從圖中可以發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律: 1）當(dāng)ωτ<0.1時(shí),誤差很小,可以忽略. 2）當(dāng)ωτ>5時(shí),誤差達(dá)到值,此值的大小僅由脈動(dòng)強(qiáng)度α來(lái)決定. 3）當(dāng)0.1≤ωτ≤5時(shí),誤差取決于脈動(dòng)強(qiáng)度和頻率. 4）由于曲線僅出現(xiàn)在象限,可知脈動(dòng)流只能導(dǎo)致ZNT渦輪流量計(jì)葉片轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一個(gè)正誤差.從物理角度來(lái)看,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(guò)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)顯示值遠(yuǎn)大于平均流量,出現(xiàn)正誤差,與以上理論推導(dǎo)相吻合. 3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果 采用型號(hào)為L(zhǎng)WQ100的ZNT渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試分析,圖2為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.壓縮空氣從來(lái)流方向進(jìn)入裝置,經(jīng)過(guò)整流器后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)孔板,經(jīng)足夠長(zhǎng)的管道后,到脈動(dòng)發(fā)生器,在特定信號(hào)作用下脈動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生按一定規(guī)律變化的脈動(dòng)流,該脈動(dòng)流經(jīng)流量調(diào)節(jié)器后進(jìn)入ZNT渦輪流量計(jì).標(biāo)準(zhǔn)孔板采用圖3所示測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)采用可換孔板的節(jié)流裝置,確保孔板在管道中的垂直度和同心度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);信號(hào)轉(zhuǎn)換部分應(yīng)用K系列差壓變送器,能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度、雷諾數(shù)進(jìn)行在線補(bǔ)償,采樣時(shí)間為10μs,計(jì)算周期為5s.脈動(dòng)發(fā)生器采用變頻調(diào)速器控制,控制信號(hào)的頻率范圍為2~50Hz,脈動(dòng)振幅可達(dá)1000%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1中虛線所示.從圖中可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算基本吻合,尤其是在ωτ增大至5后,理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本重合. 推薦產(chǎn)品.電磁流量計(jì),壓力變送器,孔板流量計(jì),V錐型流量計(jì),超聲波流量計(jì),渦街流量計(jì),渦輪流量計(jì),熱電偶.