摘要 基于脉动流场中差压式流量计的计量特性,本文分析了差压式流量计在各种脉动流频率和幅度下的流量测量误差。针对不同脉动频率和脉动幅度的脉动流,在自行设计的实验装置中使用响应时间不同的差压式流量计进行流量测量的研究,获得了流量计响应时间、流体的脉动幅度和频率与流量测量误差间的变化对应关系。研究结果表明,通过减少脉动幅值和缩短流量计的响应时间可有效地减少流量测量误差。
1 引 言
脉动流在工业管流中普遍存在,由于旋转式、往复式或可运动传送设备的使用,管道中流体的共振和流量控制设备的周期振荡,如控制阀的振荡;以及流程中工艺设备的特定要求,如泡沫塑料注塑工艺都会使流体产生脉动流。脉动流一旦形成就会在流体中向上游和下游传播,对流量的精确测量带来很大困难。脉动流的强度通常用脉动的幅度与平均流量之比来 描述,其值可在百分之几到100%之间,甚至更大。流量脉动的频率范围一般为几分之一赫兹到几百赫兹。频率低、幅值小的脉动流,在一般情况下各种流量计都能跟踪,能够保证流量测量准确度。在通常情况下,脉动流频率高、幅值大,这会对除容积式流量计以外的绝大多数流量计的流量测量带来较大的测量误差,如对差压式流量计、涡轮流量计和旋涡流量计[1]。
脉动流对流量测量的影响已经越来越引起人们的重视,提出了一些解决脉动流测量的方法,如对于像气体那样的可压缩流体,可在脉动源和流量计之间安装大容量的容器。如果对于像液体那样的非压缩流体,可用缓冲器或流体阻尼器等[2],但这些方法远远不能解决普遍存在的脉动流的测量难题。
差压式流量计是基于流体流过节流件时产生的差压来测量流量的,由于其结构简单、无可动部件且无需实流标定的特点,被广泛应用于过程测量和控制系统。而差压式流量计的精确测量是以流体的平稳流动为基本条件的,当流体的流动参数如压力、速度和密度等随时间呈周期性变化时,也就是常说的脉动流情形下,流量计流量测量会产生很大误差,严重时会使流量测量值失真。然而,许多行业设计部门对被测对象是否存在脉动流工况及脉动流严重程度未能深入考虑,而是简单地按照流量计的应用标准,在流量计前后安装一定长度的直管段,直接进 行流量测量,这就带来了可观的测量误差。
近年来,随着市场经济的发展,人们常常需要根据流量计量结果对企业的运行效益进行估计,或者作为供需双方结算的依据,因而对流量计量准确度的要求越来越高。对于在脉动流条件下如何提高计量准确度,也越来越受到重视。文献[224]介绍了脉动流对涡轮、涡街和旋进旋涡流量计的信号特性的影响进行了研究,而文献[527]从脉动流对孔板流量计示值特性的影响作了一些研究。
本文在研究脉动流流动特性和分析差压式流量计测量原理的基础上,对各种脉动特性、波动频率与不同响应时间的差压式流量计的流量测量误差进行了全面的分析和实验,提出了在脉动流工况下差压式流量计可能带来的测量误差以及减少差压式流量计测量误差的可能措施。
2 周期性脉动流对差压式流量计测量误差影响的分析
2.1 脉动流量测量方程及原理
在脉动流动状态下,如果流体流过节流装置时,仍被认为是一维流动,并且在脉动周期内流体的流线形状不发生改变,则对于不可压缩流体,节流件前后取压孔间的差压信号ΔP(Pa)与被测脉动流量q(kg/s)的关系可根据动量方程和连续性方程导出如下流量方程式(1):
式中:第1项表征为流体因流量q随时间t变化产生的惯性作用,第2项表征为流体的动量产生的惯性作用,系数k1和k2分别为:
根据差压式流量计的测量原理及构成,其信号传输框图如图1所示。
工业上使用的差压变送器,通常响应时间比较慢,再加上引压管线的作用,影响了差压测量的响应速度.如果差压式流量计的响应时间为T(以下所述的响应时间均含引压管线的作用),则差压变送器输出的差压值为:
2.2 测量误差方程
流量测量误差与脉动流的脉动特性、差压式流量计的响应时间直接有关,分析如下:
(1)对于流量脉动波为三角波,脉动幅值为A,流量均值为q0。当此三角波的脉动频率f=1/T(T为差压式流量计的响应时间)时,流量脉动波函数可表示为:
(2)对于流量脉动流为正弦波,波动角频率为ω,其函数为q=q0+Asinωt。当差压式流量计的响应时间为T=2π/ω,则正弦波状况的实际流量均值qs为:
(3)对于流量脉动流为正弦波,波动角频率为ω,其函数为q=q0+Asinωt。当差压式流量计的响应时间为T=π/ω,则在一个脉动周期内实际流量均值为:
对以上3种情况,δ与A/q的关系如图2所示(曲线a对应第1种情况;曲线b对应第2种情况;曲线c对应第3种情况)
以上分析表明,对具有相同响应时间的差压式流量计,脉动流的脉动频率越低,脉动流对测量误差的影响越小。同样对于相同的脉动流脉动频率,则差压式流量计的响应时间越快,脉动流对测量误差的影响越小。此外脉动流的幅值对差压式流量计的测量误差也有直接的影响,幅值越大,带来的测量误差也越大。
3 实验结果与分析
根据引压管线长短,差压变送器响应时间的快慢不同和脉动流脉动频率和幅度的不同对流量测量误差的影响,本文对不可压缩流体设计了如下实验
3.1 实验装置
实验装置由主流量管路、脉动流量管路及测量系统组成,其原理如图3所示。
主实验管路为DN=50mm的水流量试验管道,流体经稳压罐流入流量实验管道。控制扰动阀扰动的频度,使管道中的流体流量产生周期性的脉动,脉动波形由计算机进行控制。计算机测量控制系统由一台PC586主机、一套12位的A/D、D/A转换卡组成。标准孔板取压孔两端产生的差压经引压管路至差压变送器的正、负压室,差压变送器测得的差压标准信号输入至带A/D接口的微型计算机进行差压采样、计算和流量计算及数据分析。流量的标准流量值由标准金属量器进行计量。由于实现产生高频脉动流的实验困难,本实验中试验的脉动流量脉动流频率较低,同样,为了验证差压式流量计响应时间的影响,本实验采用响应较慢的DDZ-Ⅲ型差压变差器。在实际中如果流量脉动频率高,而差压变差器的响应时间也较快,只要流量脉动频率与差压式流量计的响应时间比例与本文所分析的相近,则其结果也与本文所分析的测量误差趋势一致,所以本文的研究结果具有一定的通用性。
3.2 实验过程和实验结果
实验系统设计分2组进行。第1组是选取短引压管路。在这种情况下,差压流量计的响应时间较小,响应速度快,用T1表示。第2组是选取长引压管路。这时,差压式流量计的响应时间较大,响应速度慢,用T2表示。在同一组实验系统中,计算机设置脉动流的脉动频率f,通过控制扰动阀频度来产生频率为f(ω=2πf)的脉动流。
此实验中,T1= 2s、T2= 4s,当f= 0.5Hz、f=0.25Hz时,q0= 10T/h,脉动幅度分别为A= 0. 9q0、A=0.7q0、A=0.5q0和A=0.3q0。针对这些工况,得到了用差压式流量计测得的流量值q与作为标准的实际流量均值qs,经比较计算得流量测量相对误差δ,其测量结果如图4和图5所示(曲线b对应f=0.5Hz;曲线c对应f=0.25Hz)。
上面的实验结果表明,脉动流对于差压式流量计测量误差的影响主要与脉动频率和脉动幅度有关,当脉动幅度不断增加时,测量误差迅速上升。因此,为了提高测量准确度,应尽可能地减小脉动幅度,可采取在测量管前增设缓冲罐的方法。另一方面,流量计响应时间相对于流量的脉动周期越短,流量测量误差越小。因而,应尽可能选用响应时间快的差压变送器,尽可能地缩短引压管线。在差压式流量计测量脉动流工况时,应避免采用环室取压法。
4 结 论
通过上述分析和实验表明,可以得出以下结论:
(1)为了获得理想的测量准确度,差压式流量计必须使用在稳定流流场中,当流场中出现脉动流时,简单地按照流量计的应用标准,在流量仪表前后安装一定长度的直管段后,直接进行流量测量会使测量值产生很大的误差。
(2)在脉动流状态下,流量测量误差直接与脉动强度有关,并随脉动强度增大快速急增。可采取在测量管前增设缓冲罐的方法减小脉动强度。
(3)降低脉动频率或减小测量系统的响应时间,可以减小流量测量误差,因而要尽可能地缩短引压管线并选用响应时间快的差压变送器以保证测量准确度。
(4)在差压式流量计测量脉动流工况时,应避免采用环室取压法,因为环室的作用会增加测量系统的响应时间。
参考文献
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[ 2 ] 张雯,应启戛.周期性脉动流对涡轮流量计测量精度影响的分析[J].自动化仪表,2001(2):10 12.
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作者简介
朱云 男 1961年6月出生 副教授主要研究方向为自动化装置与检测工程。Email:yun7882@sohu.com
