关于气体脉动流对涡轮流量计测量误差的影响的探讨

理论支持：上海理工大学光电学院技术支持：联仪自控有限公司编号：200905261

摘要：本文讲解了产生脉动流的原因，对最基本的周期性脉动流——按正玄规律变化的脉动流对涡轮流量计测量误差的影响做了探讨。

前言：脉动流是指流体在测量区域的流速是时间的函数，在一个足够长的时间段内有一个恒定的平均值，而这个值是多少就取决于脉动流的流动规律。我们把脉动流分为周期性脉动流和随机脉动流，通常提及的脉动流大多指周期性脉动流。脉动流体通常在速度、压力盒温度上出现连续的、无规则的、随机的波动。导致波动产生的原因有很多种，可因旋转动力机械，如旋转或往复式发送机、压缩机和鼓风机或水泵造成，可由工作管道的震动，特别是共振造成，也可以由流量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、阀门或旋转的机械装置等分流造成，还可以因为流体系统的几何特征而引起的流体力学振动和多段流而引起。

真正的管道定常流仅仅是在层流中出现，通常它的雷诺数小于2 000，而大多数工业管流均有较高的雷诺数，而且会出现湍流现象，所以它也是一种统计意义上的定常流。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，其中最为敏感的是差压式流量计、涡轮流量计和涡街流量计对其最为敏感。

本厂研发部将上述问题纳入研究课题，而本文对最基本的周期性脉动流——按正玄规律比爱你话的脉动流对涡轮流量计的测量误差的影响做了探讨。

1、脉动流的特性参数的主要测量方法

脉动流无处无时无刻不在，但脉动流的测量却非常困难，我们通常测量出脉动流的主要参数，例如脉动流的幅值、频率和波形，然后通过这些参数分析脉动流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法和声学法。1）光学法主要采用LDA，此技术可测出管轴线处的点速度，并对脉动振幅和波形做出估算。2）声学方法主要采用Doppler Shift，但该技术仅能用于液体，其传送器和接收器安装在管道外壁，可根据其测得的瞬时速度剖面精确计算其脉动特性。

接触方法主要是热线风速仪法，可用来测量脉动流得点速度，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、脉动气体刘对涡轮流量计测量误差影响理论分析

涡轮流量计以动量守恒定律为理论基础，是一种速度式流量仪表。对气体流量而言，如果已经知道其流动速度v和涡轮流量计转子叶片中心的切线速度v1则二者之间的关系可由下列非线性微分方程确定

计算公式

其中，c是一个与仪表常熟和流体密度有关的常数；⊙为叶片与转子中心轴线之间的夹角，通常取其为45°，公式中假定涡轮加速所需的旋转力矩由气体脉动流所引起的变化力矩来提供个，忽略摩擦。

对定常流，v1=v，但是当气体流动速度从它的平均值ˉV开始发生变化时，涡轮速度与流体速度会出现短暂差异，从而引起流量计出现测量误差。

公式2

从公式中可知，时间常数t1与平均速度和阶跃扰动的振幅直接有关。流体速度增大会引起t1发生变化，但t1的变化程度比速度的变化程度要小些，因此，周期性脉动将导致仪表读数出现一个正的误差。

为估计脉动流所引起的流量计测量误差，假定脉动流按正玄规律变化，并可表示为

公式3-4-5

3、试验结果

采用型号为LWGY涡轮流量计进行测试分析，图2试验装置示意图。压缩空气从来流方向进入装置，经过整流器后进入标准孔板，经足够长的管道后，到脉动发上去，在特定信号做哟哦那个下脉动发生器产生按一定规律变化的脉动流，改脉动流经流量调节器后进入涡轮流量计。标准孔板采用图3所示测量系统，改系统采用可换孔板的节流装置，确保孔板在管道中的垂直度和同心度符合国家标准，信号转换部分应用差压变送器，能对现场压力、温度、雷诺数进行在线补偿，采用时间为10us，积算周期为5s。脉动发生器采用变频调速器控制，控制信号的频率范围为2-50hz，脉动振幅可达100%。脉动检测器部分必要时可测量脉动发上去信号的实际变化情况。