摘要:基于脈動(dòng)流對孔闆(pǎn)流量(liàng)計 影響的(de)基本(běn)原理(lǐ),介紹了孔(kǒng)闆流量計在脈(mò)動流測量中産(chǎn)生誤差(chà)的(de)原因(yīn)及誤(wù)差的(de)分析(xī)方法.針對(duì)實際過程(chéng),複雜(zá)脈動(dòng)流對孔(kǒng)闆(pǎn)流量計測量誤差影(yǐng)響,得到複(fú)雜脈動流(liú)條件下孔闆流(liú)量計計量(liàng)誤差(chà)的估計(jì)方(fāng)法和應用(yòng)時應注意的問題.
　　基于國(guó)際(jì)上的多(duō)年研究成果,國(guó)際标準化組(zǔ)織iso在一些文(wén)獻中(zhōng)明确提(tí)出,減小流動(dòng)的脈動幅(fú)值是保證流量(liàng)測量(liàng)準确的前(qián)提[1～3].在實際生産中,旋(xuán)轉式、往複式或(huò)各種可運(yùn)動傳送設備的(de)使用,使工業管(guǎn)道中脈動(dòng)流動(dòng)大量存在.但是(shì),多年(nián)來國内對于脈動(dòng)流條件(jiàn)下流量的準确(què)測量的研究尚(shàng)未充(chōng)分進行.許(xǔ)多行業(yè)和地方(fāng)在脈動流條件(jiàn)下,直接應(yīng)用流量計(jì)進(jìn)行測量(liàng),使計量值(zhí)産生很大誤差.近年來,随着各(gè)企業(yè)和部門(mén)對(duì)計量(liàng)精度更高(gāo)的要(yào)求,脈流條(tiáo)件下(xià)流量(liàng)計測量精(jīng)度問題(tí)越來越(yuè)受到重視(shì).
1脈(mò)動流對(duì)孔(kǒng)闆(pǎn)流量(liàng)計的影響
　　當流(liú)體流(liú)過(guò)節流元(yuán)件時形成(chéng)的差(chà)壓信(xìn)号的脈動(dòng)幅值滿足下式(shì)時,可(kě)視爲穩定(dìng)流動(dòng)[1].

　　式中:Δp’p,rms爲孔(kǒng)闆、噴嘴或文丘(qiū)利管等一次元件産生的(de)差壓(yā)的根平(píng)均(jun1)平方(fāng)值;Δpp爲(wèi)差壓(yā)的時(shí)間平均值.在脈(mò)動流(liú)狀态下,孔(kǒng)闆流量(liàng)計測量(liàng)值相(xiàng)對(duì)于真實平均流(liú)量(liàng)值的示值誤差(chà)的産(chǎn)生主要(yào)考慮因素如(rú)圖1所示[2,5].

1.1對孔(kǒng)闆(pǎn)上(shàng)下遊取壓孔處産(chǎn)生差壓(yā)信号的影響
　　假(jiǎ)設[2、3]:1)在(zài)流體流過(guò)孔闆時,仍是一(yī)維流動(dòng);2)在脈動(dòng)周期(qī)内流體的流線(xiàn)形(xíng)狀(zhuàng)不發生改變(biàn).對(duì)于不(bú)可壓(yā)縮流體,根(gēn)據(jù)動量方(fāng)程和(hé)連續性(xìng)方程

　　式(shì)中:d爲流體(tǐ)密度;u爲流體(tǐ)速度;p爲流體在管(guǎn)中所受(shòu)的(de)壓力.沿孔(kǒng)闆上(shàng)下遊取壓(yā)孔之(zhī)間軸向長(zhǎng)度上(shàng)積分(fèn),可以(yǐ)得到孔(kǒng)闆前後(hòu)差壓Δp(t)與流(liú)過孔(kǒng)闆的(de)脈(mò)動(dòng)流之(zhī)間關系式[3]爲

　　式(shì)中:k2爲脈動流工(gōng)況下孔闆(pǎn)的流(liú)出系數c(或流量(liàng)系數t);k1爲脈(mò)動流(liú)工況下流(liú)體流(liú)過孔闆(pǎn)産生的瞬時(shí)慣性(xìng)加速(sù)作用(yòng)的系(xì)數.分析式(shì)(4)物(wù)理意(yì)義(yì)[5]可知,脈動流在(zài)孔闆上(shàng)下遊取壓孔(kǒng)處(chù)産生的(de)差壓(yā)信(xìn)号的變(biàn)化主要(yào)從以下(xià)幾方(fāng)面來考慮(lǜ):
1)孔闆本(běn)身(shēn)固有的輸出(差壓)與(yǔ)輸(shū)入(流量)之間(jiān)存在的非線性(xìng)關系,在脈動流(liú)狀态下,依(yī)然成立.
　　根(gēn)據國外已有研究成(chéng)果[4],脈(mò)動流動的(de)任一(yī)瞬時(shí)都可視爲(wèi)暫時(shí)的(de)穩(wěn)定流(liú)動.整(zhěng)個脈動流(liú)動是(shì)這(zhè)些“瞬時(shí)穩定流動(dòng)”随時(shí)間變化的(de)流動(dòng)之“和(hé)”.此時,瞬時(shí)流量q(t)可以(yǐ)根據(jù)相應的差壓值(zhí)Δp(t)按式(5)求得.

而真實的平均流量`q可通過(guò)取(qǔ)時間(jiān)平均(jun1)得到,即

且,k2是孔闆在穩定(dìng)流動(dòng)情況下的(de)流量系數(或流(liú)出系(xì)數)值(zhí).
2)在脈(mò)動流(liú)動狀态下,流(liú)體通過(guò)孔闆(pǎn)時的瞬時(shí)慣(guàn)性(xìng)作用,需要有一(yī)部分附加的壓(yā)力差(除了在穩(wěn)定流(liú)動情況,需(xū)要的那部分使(shǐ)流體(tǐ)通過(guò)孔闆時的(de)傳遞加速(sù)作用(yòng)外),來實現(xiàn)流體加速(sù)流動(dòng).
　　因此,可認爲在(zài)脈動(dòng)周期任一(yī)時刻孔闆産生差壓信(xìn)号Δp(t)由兩(liǎng)部分構成(chéng).一部(bù)分是流體(tǐ)通(tōng)過(guò)節流孔時遷移加速所産生差(chà)壓,理想情(qíng)況下(xià)這部(bù)分差壓就(jiù)與該(gāi)瞬(shùn)時脈動(dòng)流量質量相同(tóng)的流體在穩定流動(dòng)時産生的(de)差壓Δp(t)s相同;另一部分(fèn)是由(yóu)于克服流體慣(guàn)性以實現流體(tǐ)瞬時(shí)加速(sù),即dq(t)/dt引(yǐn)起的(de)額外(wài)差壓(yā)Δp(t)t.

3)在脈(mò)動流動狀态(tài)下(xià),孔闆的流量系(xì)數t(或流出系數(shù)c)可能産生的變(biàn)化,對流量示值(zhí)誤差會産(chǎn)生一(yī)定影響.關于這部分(fèn)影(yǐng)響可能(néng)帶來(lái)附加(jiā)誤差(chà)的讨論(lùn),需要建(jiàn)立在(zài)對流(liú)體流(liú)動分布廓形研(yán)究的基(jī)礎之上(shàng),研究(jiū)過程比較(jiào)複雜,國内外對(duì)此尚(shàng)無明(míng)确結(jié)果.
1.2導壓管線及(jí)差壓變(biàn)送(sòng)器腔(qiāng)室引起差壓信(xìn)号的(de)畸變所帶(dài)來的(de)附加誤差(chà)
1)上下遊(yóu)取壓孔(kǒng)與 差壓變(biàn)送器 之間(jiān)通常有一(yī)定(dìng)的長(zhǎng)度(dù)差壓(yā)傳輸(shū)管線,還有一些接頭(tóu)和隔(gé)離閥等器件,它(tā)們的結構常不(bú)一緻,上(shàng)下遊導(dǎo)壓管線也(yě)不一(yī)定完全(quán)對稱.當脈動壓力(lì)波在其中(zhōng)傳播(bō)時,由(yóu)于反射、疊(dié)加引起壓(yā)力波的畸(jī)變會導緻(zhì)流量(liàng)示值的(de)誤差.
2)在(zài)工業生(shēng)産中使(shǐ)用的(de)差壓變送(sòng)器爲使測量信号平(píng)穩,都有一定的阻尼(ní)和延時環(huán)節.但在脈(mò)動流的測量中(zhōng),這種阻尼和延(yán)時作用會(huì)使測(cè)量的脈(mò)動信号(hào)失去脈(mò)動特性,産生(shēng)一定的失(shī)真.
1.3差壓(yā)——流量計算方法(fǎ)所(suǒ)帶來(lái)的附加誤差
　　大多數(shù)工業流量(liàng)計主要是用于(yú)穩定流動(dòng)狀态下的測量.爲了(le)提高(gāo)計算(suàn)速度(dù)和工(gōng)作(zuò)效率,計(jì)算流量(liàng)時(shí),采用(yòng)對差壓信(xìn)号Δp(t)先(xiān)平均(jun1)、後開方的(de)流量計(jì)算(suàn)方法(fǎ).在脈(mò)動流動狀(zhuàng)況下(xià),上述方法将使(shǐ)流(liú)量計計(jì)算值高于(yú)實際(jì)流量(liàng)值,引起流(liú)量計(jì)量的附加誤差ei[3,4]
綜上所述(shù),脈動流動條件下,孔闆(pǎn)流量計(jì)測量的附加誤(wù)差組(zǔ)成(chéng)形式如(rú)下:

　　式中:e爲(wèi)孔闆(pǎn)流量計的(de)總(zǒng)附(fù)加誤差;e0爲孔闆元件處(chù)産生的附加誤差;e1爲儀(yí)表引壓管(guǎn)線上(shàng)産生的附(fù)加誤差;et爲差(chà)壓變送(sòng)器産(chǎn)生(shēng)的(de)附加(jiā)誤差(chà);ei爲采用不(bú)同的(de)數(shù)據處理(lǐ)方法(fǎ)産生的附加誤差.
2脈(mò)動流(liú)工況下(xià)孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)示值(zhí)誤差(chà)的估計
　　爲準确(què)測量脈(mò)動(dòng)流動,必須(xū)盡量減小(xiǎo)脈動流(liú)條件下(xià)孔闆(pǎn)流量計的(de)附加(jiā)誤差.根本(běn)措施是(shì)設法消(xiāo)除流體的脈動(dòng)或使(shǐ)幅值(zhí)減小(xiǎo)到一(yī)定阈值以下[1].當脈動(dòng)流狀(zhuàng)态不可(kě)避免時,孔闆(pǎn)流量計測(cè)量誤差的估計(jì)可分别予(yǔ)以考(kǎo)慮.
2.1孔(kǒng)闆處(chù)産生(shēng)的附(fù)加誤差(e0)
　　當(dāng)脈動(dòng)幅值低于iso/tr3313中的規定(dìng),并忽(hū)略流量(liàng)系(xì)數的(de)變化(huà),且能夠快(kuài)速測量孔闆前後的(de)差壓(yā)Δp(t)時,脈動流在孔闆元件處(chù)産生的附加誤差(e0)可(kě)按下(xià)述方(fāng)法給出.
　　在滿足iso/tr331規(guī)定的阻尼和(hé)安裝(zhuāng)條件(jiàn)的前提下(xià),根據(jù)測(cè)得(dé)的阻尼後(hòu)的脈動差壓值(zhí),按iso5167給(gěi)出的公式(shì)來計(jì)算(suàn)流(liú)量值(zhí).
按iso/tr3313規(guī)定,當(Δp’p,rms/Δpp)≤0.58時,對于不可(kě)壓(yā)縮流(liú)體,上(shàng)述計(jì)算得(dé)到的流量(liàng)值與(yǔ)實際(jì)的平均流量值之間(jiān)将有(yǒu)一個正的系統(tǒng)誤差e0,其計算(suàn)式爲

　　式中:Δpp是(shì)在脈(mò)動流條件下測得的(de)差(chà)壓的時(shí)間(jiān)平均值;Δp’p,rms是差(chà)壓脈(mò)動分量的(de)均方根值(zhí).
2.2引壓管線及差壓變送器的響應特(tè)性影響産生的(de)附加誤(wù)差(e1和(hé)et)
1)從取壓孔到差壓(yā)變送器(qì)的導壓(yā)管線應盡可能的短,結構(gòu)上盡(jìn)量對稱(chēng);2)連接(jiē)到(dào)差壓變送(sòng)器小(xiǎo)腔室的(de)導壓管線直(zhí)徑不(bú)能有(yǒu)突變(biàn);3)差壓變送(sòng)器的響(xiǎng)應(yīng)頻率(lǜ)足夠寬,這樣才(cái)能使導壓(yā)管線(xiàn)阻尼和(hé)差壓變(biàn)送器動态響應(yīng)對脈(mò)動(dòng)信号畸(jī)變的影響(xiǎng)最小.
　　如果導(dǎo)壓管線(xiàn)和差(chà)壓(yā)變送器的影響(xiǎng)不可避(bì)免,根據文獻[4],以(yǐ)上兩種因(yīn)素對(duì)于脈動(dòng)流(liú)測量(liàng)的影響沒(méi)有明(míng)顯的趨勢(shì);偏差(chà)分析(xī)結果表明(míng),正負(fù)偏差(chà)都存在;相對(duì)于(yú)k0l的變(biàn)化以正偏差居(jū)多(波數(shù)k0=2πf/t0,t0爲平均(jun1)聲速,l爲導壓管(guǎn)線長度(dù));流量值(zhí)的偏差亦(yì)有正有負(fù),但以正差(chà)爲多.因此(cǐ),要具(jù)體分(fèn)析兩種因(yīn)素的影響(xiǎng)作用,必須根(gēn)據(jù)實際(jì)情況,由實驗确定.
2.3由(yóu)計(jì)算(suàn)方法(fǎ)的影響産生(shēng)的(de)附加(jiā)誤差(ei)
　　在滿足了iso/tr3313規定(dìng)的安裝條(tiáo)件和(hé)要求(qiú)的(de)前提下(xià),假設沒有差(chà)壓信(xìn)号(hào)的畸變(biàn)和(hé)失真(zhēn).此時(shí),脈動流動(dòng)的流量計算公式,必須采用先(xiān)開方後平(píng)均(jun1)的計算(suàn)方(fāng)法(fǎ),以消(xiāo)除由于(yú)計(jì)算方法帶(dài)來得附加誤差.
2.4複雜(zá)脈動流條(tiáo)件下(xià)的研究
　　以上讨論爲(wèi)在單(dān)脈(mò)動源和(hé)周期脈動流,且(qiě)脈動(dòng)幅值在一(yī)定範圍的條件(jiàn)下,脈(mò)動流對孔(kǒng)闆流(liú)量(liàng)計的影響.工程實際中(zhōng),脈動(dòng)往往是多脈動(dòng)源,且(qiě)周期(qī)及幅值不(bú)定,爲(wèi)複雜脈動流狀(zhuàng)況.因(yīn)此(cǐ)提(tí)出一(yī)種工(gōng)程(chéng)實用方(fāng)法來(lái)讨論複雜脈動流對孔闆(pǎn)流量計的(de)影響.
　　複雜(zá)脈動流動(dòng)狀況對孔(kǒng)闆數(shù)量計影(yǐng)響,所得到的并(bìng)經(jīng)過現(xiàn)場标定(dìng)的壓縮(suō)機排(pái)量爲(wèi)參考(kǎo),将一次、二次儀(yí)表所造(zào)成(chéng)的誤差綜(zōng)合考慮分(fèn)析,估(gū)計孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)在複雜脈(mò)動(dòng)流(liú)條件下所(suǒ)産生的示值誤(wù)差,并(bìng)以“點(diǎn)”檢驗的方法作爲對(duì)理論.
3測試及結(jié)果(guǒ)
　　導(dǎo)壓管線和(hé)差壓變送器(qì)響應速度對脈動測量的影響.實(shí)驗方案(àn)如圖2所(suǒ)示.采用短(duǎn)導壓(yā)管、快(kuài)速差(chà)壓變送器及長導壓(yā)管、快速(sù)差壓變(biàn)送器和長導壓管、慢響應差壓(yā)變送器進(jìn)行測(cè)試,得(dé)到關于不(bú)同導壓管(guǎn)線和(hé)差壓(yā)變速(sù)器影(yǐng)響的數據.見圖(tú)3～圖6.

實(shí)驗測試中用200hz的采樣頻(pín)率對現(xiàn)場兩條輸(shū)氣管(guǎn)線上(shàng)孔闆兩端的差壓(yā)Δp(t)信号進行記(jì)錄.
3.1測試結(jié)果(guǒ)及(jí)數據分析(xī)
　　脈動(dòng)幅(fú)值Δp’p,rms/Δpp:用(yòng)快(kuài)速響應差壓變(biàn)送器(qì)測得孔闆(pǎn)兩側差壓(yā)信号脈動(dòng)幅值(zhí)爲0.2～0.7.
脈(mò)動頻率(lǜ)f:應用傅(fù)立葉(yè)變換(huàn)分析(xī)快速響應(yīng)差壓(yā)變速器測得的(de)孔闆兩側的差(chà)壓脈(mò)動信号,可得孔(kǒng)闆兩側的差壓脈動信号(hào)的主(zhǔ)要頻率爲(wèi)16.7hz(如圖(tú)4c、d和e).這一頻(pín)率與壓縮(suō)機的(de)轉速500r/min(雙缸壓送(sòng))完全吻(wěn)合.證明孔闆兩側壓脈動(dòng)信号的(de)特性(xìng),主要是由(yóu)壓縮機的工作狀态所決定
3.2脈動流(liú)對孔闆測量影(yǐng)響(xiǎng)的(de)誤(wù)差估計(jì)
　　在計算(suàn)流(liú)量的(de)基礎(chǔ)上,采用式(shì)(11)來估算孔闆測(cè)脈動(dòng)流時的測(cè)量誤(wù)差.由(yóu)圖3可(kě)見,脈(mò)動流動(dòng)狀(zhuàng)态下(xià),在不(bú)考慮導壓管線和差壓變(biàn)送器響應特性對測量的(de)影響時,附加誤(wù)差e随(suí)脈動幅值(zhí)a的增大(dà)而增大(dà).可以(yǐ)得到脈動流動(dòng)造成(chéng)差壓(yā)信号的脈動,所(suǒ)帶來(lái)的附(fù)加誤差基(jī)本上在+1%～±10%範(fàn)圍内(nèi).

3.3導壓(yā)管線(xiàn)及差壓(yā)變(biàn)送器(qì)影響(xiǎng)的估(gū)計
　　圖中(zhōng)不同(tóng)測試條(tiáo)件下(xià)的差壓信(xìn)号的波形(xíng)和頻譜分(fèn)布(bù)如圖4所(suǒ)示.圖(tú)中l爲導壓(yā)管線(xiàn)長(zhǎng)度(dù),f爲差(chà)壓變送器響(xiǎng)應(yīng)頻率(lǜ).
1)導壓管線(xiàn)的影響.從圖4a、e和f中可(kě)見,由于導(dǎo)壓管線的作用,16.7hz的信(xìn)号幾(jǐ)乎完全被(bèi)濾波,但低頻的(de)信号還十(shí)分明顯,信(xìn)号産(chǎn)生(shēng)較(jiào)大的失真(zhēn),差壓(yā)信号脈動(dòng)程度減弱.
2)差壓(yā)變送器響(xiǎng)應特(tè)性的影響.從圖(tú)4b、f和g可(kě)見,孔(kǒng)闆兩(liǎng)側經(jīng)過一定長(zhǎng)度導壓管(guǎn)線的(de)差壓(yā)信号,由不(bú)同響(xiǎng)應速(sù)度的(de)差壓變(biàn)送(sòng)器轉(zhuǎn)換成(chéng)電(diàn)信号後,差壓(yā)脈動信号(hào)的波形進(jìn)一步(bù)變化(huà).經過慢響(xiǎng)應速(sù)度的差壓(yā)變送器之後(hòu)的(de)差壓(yā)脈動(dòng)信号(hào),脈動(dòng)幅值a和脈(mò)動頻率都有所(suǒ)下降.原有主要(yào)頻率16.7hz完全被(bèi)濾(lǜ)波,信(xìn)号(hào)變化更加平穩(wěn),頻率集(jí)中範(fàn)圍主(zhǔ)要在(zài)0～2hz.
3)導壓(yā)管線與差壓變送器的綜合效(xiào)應(yīng).從大量(liàng)的實驗數(shù)據可(kě)見,孔闆流量計系統由于導壓(yā)管線和(hé)差壓變(biàn)送器的影(yǐng)響,所(suǒ)得差(chà)壓信号已(yǐ)與孔(kǒng)闆(pǎn)兩側真正的差壓信号(hào)相差(chà)甚遠(如圖(tú)4h).由于差壓(yā)信号的變(biàn)化(huà)影響到(dào)累計(jì)流量的計算值也(yě)産生一(yī)定誤(wù)差(如圖5).其(qí)中相對誤差表(biǎo)示的(de)是兩(liǎng)套測(cè)試系統累(lèi)計流(liú)量(liàng)之間(jiān)的(de)相對(duì)誤差er.

　　式中(zhōng):qls爲經(jīng)長導壓管(guǎn)線(l=5.1m)和(hé)慢響應(fc≤5hz)差壓變(biàn)送器(qì)後變化的(de)差壓(yā)信号計算(suàn)得流(liú)量值(zhí);qsf爲經短導壓管線(l=0.3m)和(hé)快響應(yīng)(fc≥1khz)差(chà)壓變送器(qì)後(hòu)未變化(huà)的差壓信号算(suàn)得的流(liú)量值.
3.4流(liú)量計算方(fāng)法的(de)影響(xiǎng)
采用兩種(zhǒng)算法的相(xiàng)對誤(wù)差ei,所用計(jì)算公(gōng)式爲

式中(zhōng):ei爲兩種算(suàn)法(fǎ)的(de)相對(duì)誤差(chà);qavg爲(wèi)采用先(xiān)平均後開方算(suàn)法計算的(de)流量(liàng)值;qsqr爲(wèi)采用(yòng)先開(kāi)方後平均算法(fǎ)計算出(chū)的流量值.


3.5孔闆流量計(jì)總的測量誤差(chà)的估(gū)計
　　綜(zōng)合以(yǐ)上分(fèn)析,根據式(shì)(10),可以得(dé)到(dào)脈動(dòng)流條件下孔闆流(liú)量計測量的(de)附加(jiā)誤(wù)差e.結合現場實際情況(kuàng),可以(yǐ)得到圖6所(suǒ)示現場條件下孔闆(pǎn)流(liú)量計附(fù)加誤差與脈動幅值的關系.



4結語
　　通(tōng)過分析得(dé)知,實(shí)際管道系統中,脈(mò)動流動(dòng)對孔闆流量計(jì)一次(cì)元件(jiàn)(孔闆(pǎn))及二次(cì)儀表計(jì)算方法的(de)影響趨勢明顯(xiǎn),所産(chǎn)生的誤差(chà)爲(wèi)正(zhèng)誤差.而(ér)導管線(xiàn)和差壓(yā)變(biàn)送器(qì)對脈(mò)動流(liú)測量(liàng)的(de)影(yǐng)響,由(yóu)于受(shòu)現場(chǎng)條件和(hé)工作狀态所限,結(jié)果數據分散,沒(méi)有明(míng)顯的(de)趨勢(shì),産生(shēng)的誤差有(yǒu)正有負.因此(cǐ)工(gōng)程設計當中應(yīng)充分考慮脈動(dòng)流對流量計的(de)影響,按照iso/tr3313的要(yào)求,在孔闆(pǎn)前采用有效(xiào)措施将(jiāng)脈動流(liú)動阻尼(ní)爲穩定流動,或(huò)使(shǐ)其(qí)脈(mò)動(dòng)幅值(zhí)降到(dào)一定(dìng)阈值以下,并按規定(dìng)選用符合(hé)脈動流測(cè)量要求的(de)流(liú)量計.

以上内容源(yuán)于網絡(luò)，如(rú)有侵權聯(lián)系即(jí)删除!