一、引言
流量計(jì)實(shí)流校準(zhǔn)時(shí)的參比條件是流動(dòng)狀態(tài)必須為定常流(穩(wěn)定流)。所謂定常流就是流場(chǎng)中各點(diǎn)處的流速、壓力、密度和溫度等諸參數(shù)不隨時(shí)間變化的一種流動(dòng)狀態(tài)。
真正的定常流只有層流條件下才存在，大多數(shù)工業(yè)管流為紊流(也稱湍流)狀態(tài)，其流動(dòng)參數(shù)在與時(shí)間無(wú)關(guān)的平均值附近隨時(shí)間有微小的變化，只能稱“統(tǒng)計(jì)定常流”或“平均定常流”。如果這種波動(dòng)類似于充分發(fā)展的管流，而且無(wú)周期脈動(dòng)，就像ISO 5167-1中規(guī)定的那樣，則儀表顯示的瞬時(shí)流量與正常測(cè)量不確定度應(yīng)該無(wú)任何差異。
定常流。如果測(cè)量管段中的流量雖為時(shí)間的如果流動(dòng)流體的某個(gè)參數(shù)如流速、壓力 、密度、溫度等不斷地隨時(shí)間變化，就稱非函數(shù)，但在足夠長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)的平均值是一個(gè)常數(shù)，則稱這種流動(dòng)為(具有恒定平均值的)脈動(dòng)流，它是非定常流中的一種流動(dòng)狀態(tài)，脈動(dòng)流可分為周期性脈動(dòng)流和隨機(jī)波動(dòng)脈動(dòng)流。
二、脈動(dòng)流的發(fā)生
流動(dòng)脈動(dòng)常見(jiàn)于工業(yè)管流，它可能由旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式原動(dòng)機(jī)、壓氣機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵產(chǎn)生，帶翼的旋轉(zhuǎn)機(jī)械也能以葉片通過(guò)頻率產(chǎn)生小的脈動(dòng)。有的容積式流量計(jì)也能產(chǎn)生脈動(dòng)。振動(dòng)引起的共振，管道運(yùn)行和控制系統(tǒng)的振蕩，閥門“獵振”、管道配件、閥門或旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的流動(dòng)分離，也是流動(dòng)脈動(dòng)可能的來(lái)源。流動(dòng)脈動(dòng)還可能由流量系統(tǒng)和多相流引起的流體動(dòng)力學(xué)振蕩所引發(fā)。例如流體流過(guò)測(cè)溫保護(hù)管，如同流過(guò)渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體而產(chǎn)生渦列；在三通連接的流路中自激引起流體振蕩等。
從現(xiàn)場(chǎng)儀表指示往往看不出工業(yè)管流中脈動(dòng)的存在，這是因?yàn)槠匠Ｊ褂玫牧髁坑?jì)、壓力計(jì)響應(yīng)較慢，而且設(shè)有阻尼，但事實(shí)上，流動(dòng)脈動(dòng)可能是存在的。脈動(dòng)還可以從上游傳遞到下游，也可以從下游回溯到上游，所以脈動(dòng)源可能在流量計(jì)的上游影響其示值，也可能在流量計(jì)的下游影響其示值。然而從脈動(dòng)源到流量計(jì)的距離增大能使脈動(dòng)衰減，幅值變小?？梢酝ㄟ^(guò)可壓縮性效應(yīng)(包括氣體和液體)，使之衰減到在流量計(jì)安裝地點(diǎn)探測(cè)不到脈動(dòng)幅值。
流動(dòng)脈動(dòng)頻率范圍從千分之一赫到數(shù)百赫，脈動(dòng)幅值從平均流量的百分之幾到百分之一百，甚至更大，都是可能的。在脈動(dòng)幅值小的時(shí)候，往往難以區(qū)別脈動(dòng)流和紊流。
脈動(dòng)流的主要參數(shù)有脈動(dòng)幅值、脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)波形。其中，脈動(dòng)幅值多用流速波動(dòng)均方根值與時(shí)均流速之比來(lái)表示。
三、穩(wěn)定流閾值
目前工業(yè)上常用流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都指明流量計(jì)只能用于穩(wěn)定流，它是流量計(jì)基本誤差參比條件之一。實(shí)際上，各類流量計(jì)應(yīng)用穩(wěn)定流都有一個(gè)閾值，即允許的非定常流的界限值。
(1)差壓式流量計(jì)。差壓式流量計(jì)在下式的流速脈動(dòng)幅值可界定為穩(wěn)定流。
通常激光多普勒和熱量風(fēng)速表能測(cè)定流速脈動(dòng)幅值。如果流量計(jì)輸出脈沖頻率是已知的，而且渦輪慣性也是已知的，則可由流量計(jì)顯示的脈動(dòng)幅值推算實(shí)際流量脈動(dòng)幅值，并估算校正系數(shù)。
(3)渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)的旋渦剝離過(guò)程隨流動(dòng)脈動(dòng)產(chǎn)生很大誤差。當(dāng)脈動(dòng)頻率接近旋渦剝離頻率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。但在脈動(dòng)幅值足夠小的條件下，因?yàn)槊}動(dòng)被忽略，因此不發(fā)生測(cè)量誤差。此界限幅值只有平均流速的3%，類似于流速擾動(dòng)幅值。
四、脈動(dòng)流的流量測(cè)量
脈動(dòng)流流量測(cè)量方法有三種:a.用響應(yīng)快的流量計(jì)；b.用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒚}動(dòng)衰減到足夠小的幅值，然后用普通流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量；c.對(duì)在脈動(dòng)流狀態(tài)下測(cè)得的流量值進(jìn)行誤差校正。有的系統(tǒng)中，b、c兩種方法需結(jié)合起來(lái)才能實(shí)現(xiàn)測(cè)量，這是因?yàn)槊}動(dòng)幅值大，超出估算公式的適用范圍，若僅用阻尼方法，衰減后的脈動(dòng)幅值又未進(jìn)入穩(wěn)定流范圍。
(1)用電磁流量計(jì)測(cè)量脈動(dòng)流流量當(dāng)電磁流量計(jì)選用較高的激勵(lì)頻率時(shí)，能對(duì)脈動(dòng)流作出快速響應(yīng)，因此能對(duì)脈動(dòng)流流量進(jìn)行測(cè)量，常用來(lái)測(cè)量往復(fù)泵、隔膜泵等的出口流量。
能用于脈動(dòng)流測(cè)量的電磁流量計(jì)，通常在下列三個(gè)方面須作特殊設(shè)計(jì)，并在投運(yùn)時(shí)作恰當(dāng)?shù)恼{(diào)試，即激勵(lì)頻率可調(diào)，以便得到與脈動(dòng)頻率相適應(yīng)的激勵(lì)頻率；流量計(jì)的模擬信號(hào)處理部分應(yīng)防止脈動(dòng)峰值到來(lái)時(shí)進(jìn)入飽和狀態(tài)；為了讀出流量平均值，應(yīng)對(duì)顯示部分作平滑處理。
①激勵(lì)頻率的決定。以IFM型電磁流量計(jì)為例，該儀表的技術(shù)資料提出，當(dāng)脈動(dòng)頻率低于1.33Hz時(shí)，可以采用穩(wěn)定流時(shí)的激勵(lì)頻率；當(dāng)脈動(dòng)頻率為1.33~3.33Hz時(shí)，激勵(lì)頻率應(yīng)取25Hz(電源頻率為50Hz時(shí))。顯然，激勵(lì)頻率要求雖不很嚴(yán)格，但必須與脈動(dòng)頻率相適應(yīng)，太高和太低都是不利的。
②流量信號(hào)輸入通道飽和問(wèn)題。脈動(dòng)流的脈動(dòng)幅值有時(shí)高得出奇，如果峰值出現(xiàn)時(shí)儀表的流量信號(hào)輸入通道進(jìn)入飽和狀態(tài)，就如同峰值被削除，必將導(dǎo)致儀表示值偏低。
電磁流量計(jì)流量信號(hào)輸入通道的設(shè)計(jì)分兩擋。其中，測(cè)量穩(wěn)定流時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器只允許輸入滿量程信號(hào)的150%，而測(cè)量脈動(dòng)流時(shí)，允許輸入滿量程信號(hào)的1000%。因此，在測(cè)量脈動(dòng)流流量時(shí)，編寫菜單應(yīng)指定流動(dòng)類型為“PULSATING”(脈動(dòng)流)，而不是“STEADY”(定常流)。
③時(shí)間常數(shù)的選定。由于電磁流量計(jì)的測(cè)量部分能快速響應(yīng)脈動(dòng)流流量的變化，忠實(shí)地反映實(shí)際流量，但是顯示部分如果也如實(shí)地顯示實(shí)際流量值，勢(shì)必導(dǎo)致顯示值上下大幅度跳動(dòng)，難以讀數(shù)，所以，顯示應(yīng)取一段時(shí)間內(nèi)的平均值。其實(shí)現(xiàn)方法通常是串入一階慣性環(huán)節(jié)，選定合適的時(shí)間常數(shù)后，儀表就能穩(wěn)定顯示。但若時(shí)間常數(shù)選得太大，則在平均流量變化時(shí)，顯示部分響應(yīng)遲鈍，為觀察者帶來(lái)錯(cuò)覺(jué)。
IFM儀表資料提出了計(jì)算時(shí)間常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。
t(s)=1000/N
式中 N－每分鐘脈動(dòng)次數(shù)。
(2)脈動(dòng)流流量測(cè)量的充分條件電磁流量計(jì)雖能測(cè)量脈動(dòng)流流量，但它僅適用于電導(dǎo)率在合適范圍內(nèi)的液體，而更多的脈動(dòng)流流量測(cè)量對(duì)象仍然需在測(cè)量前將脈動(dòng)濾除。
1998年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)ISO/TR 3313進(jìn)行了增補(bǔ)參改和重新定名，頒布了ISO/ TR 3313 : 1998《封閉管道中流體流量測(cè)量流量測(cè)量?jī)x表流動(dòng)脈動(dòng)影響導(dǎo)則》，它雖不是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，只是一份技術(shù)報(bào)告，卻總結(jié)了幾十年來(lái)國(guó)際上對(duì)脈動(dòng)流流量測(cè)量主要研究成果。對(duì)脈動(dòng)流流量測(cè)量有重要的參考價(jià)值。
ISO/TR 3313對(duì)流動(dòng)脈動(dòng)的阻尼提供了幾個(gè)有實(shí)用價(jià)值的方法，并對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算給出了具體的公式。其中，充分阻尼的條件針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置而言。
①氣體的脈動(dòng)流流量測(cè)量的充分阻尼條件。氣體或蒸氣的脈動(dòng)能被脈動(dòng)源與儀表之間的節(jié)流管阻和氣容組成的濾波環(huán)節(jié)所阻尼，類似于電路中的RC濾波器。此氣容的容積包括容器和管路本身的容積，此管阻可由閥門和其他裝置提供，管路上的壓損也有節(jié)流效果。脈動(dòng)源可以在儀表的上游，如圖6.1(b)所示，也可在儀表的下游，如圖6.1(a)所示，對(duì)這種單容器的阻尼系統(tǒng)滿足充分阻尼的條件為：
②帶限流管的阻尼器。在單容器阻尼系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)能夠變更的設(shè)備參數(shù)只有容器的容積，為了得到充分的阻尼，容器容積必須很大，為具體實(shí)施帶來(lái)困難。如圖 6.2所示的帶限流管的分隔容器(divided-receiver)阻尼器，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除了容器容積大小可供選擇外，適當(dāng)減小限流管截面積也能改善阻尼效果，所以總體積可比單容器阻尼系統(tǒng)小得多，因此更具實(shí)用性。
③液體的充分阻尼條件。液體脈動(dòng)流的阻尼有兩種方法：調(diào)壓室和空氣阻尼器。圖6.3和圖6.4所示的布置，脈動(dòng)源在流量計(jì)的上游，如果脈動(dòng)源在儀表的下游，則須將圖6.3中的調(diào)壓室與恒壓壓頭容器互換位置，或?qū)D6.4中的空氣容室與恒壓壓頭容器互換位置。
