林 峰，馬春歌，鄭東志

（開封儀表有限公司，河南 開封 475000）

0 引言

在工業(yè)流體中，容積泵、管線共振和流量調(diào)節(jié)閥等，以及一些多相流域中障礙物后流體分開都容易產(chǎn)生流體脈動和其他液體流參數(shù)的動態(tài)變化。實踐中大家也了解到，流體脈動對流場和流量計量的影響是不可忽視的。但現(xiàn)實中的脈動流往往是無法測量的，如果要想知道脈動流的確切影響，就要清楚地知道脈動的頻率和幅度，并通過相應(yīng)地調(diào)節(jié)，測量出不同的脈動對流量計量的影響。

為了進(jìn)行脈動流體對不同流量計量的實驗研究，需要設(shè)計一個合適的、具有確定動態(tài)特征的流體脈動即“脈動流發(fā)生器”。此論文的目的是介紹開封儀表有限公司（以下簡稱開儀）自行初步研究的脈動流發(fā)生器，以及該脈動發(fā)生器在不同機(jī)構(gòu)、不同流量、不同頻率下形成的脈動流對流量計量準(zhǔn)確度的影響。

通過實驗，以實現(xiàn)以下兩個目的：

1）為流量計的設(shè)計改進(jìn)提供寶貴的數(shù)據(jù)資料和依據(jù)，提高流量計的抗干擾能力，提升流量計整體性能。

2）評價流量測量裝置的動態(tài)性能，預(yù)測在不同安裝條件下的動態(tài)誤差，合理設(shè)計裝置中的流量計的安裝位置，優(yōu)化裝置工藝管線布局。因此，了解流體脈動對特定流量計測量準(zhǔn)確度的影響及其性能非常重要。

1 設(shè)計構(gòu)思

1.1 初步設(shè)計的脈動流發(fā)生器主要參數(shù)

介質(zhì)：水。

公稱通徑：DN100。

公稱壓力：1.6MPa。

傳動形式及頻率：皮帶機(jī)構(gòu)3 Hz～50 Hz，連桿機(jī)構(gòu)7 Hz～50 Hz。

脈動發(fā)生體：設(shè)計為葉輪形式，并分為單葉片與四葉片兩種形式。

幅度：10°～30°。

1.2 脈動流發(fā)生器設(shè)計的主要特點及設(shè)計難點

1.2.1 主要特點

1）傳動結(jié)構(gòu)型式多樣。運用皮帶機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)多種機(jī)械機(jī)構(gòu)型式，葉輪有單葉片和四葉片。

2）部件更換方便。單葉片葉輪和四葉片葉輪均為一體型，與前后蓋連接部位尺寸相同，可直接更換；電機(jī)軸端采用彈簧夾頭型式裝夾，方便快捷。

3）密封可靠。密封采用磁耦合型式，傳動力矩大，安全可靠。

4）電機(jī)配備變頻器，頻率可調(diào)，配備光電脈沖發(fā)訊器，可實現(xiàn)頻率的監(jiān)控驗證。

5）運用機(jī)械卡頭連接方式，可方便更換機(jī)構(gòu)型式。

1.2.2 設(shè)計難點

1）設(shè)計過程中要達(dá)到幾種傳動結(jié)構(gòu)能夠快速互換的效果，最后采用輸出軸上銑四方，并在軸端加工螺紋孔，連桿、皮帶輪通過傳感器輸出軸的四方定位，并用螺釘壓緊實現(xiàn)傳動。兩種結(jié)構(gòu)連接接口統(tǒng)一，連接靠一螺釘壓緊，方便快捷。電機(jī)端頭安裝彈簧夾頭，實現(xiàn)快速拆裝與連接。

2）葉片軸轉(zhuǎn)動與殼體間采用密封形式，在高速運轉(zhuǎn)的情況下保證密封不泄漏，最后采用磁耦合型式，傳動力矩大，安全可靠。

1.3 液體脈動流發(fā)生器結(jié)構(gòu)及特征

液體脈動流發(fā)生器由傳感器、電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、變頻器、光電脈沖發(fā)訊器等組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 液體脈動流發(fā)生器總體結(jié)構(gòu) Fig.1 Overall structure of fluid pulsating flow generator

脈動流發(fā)生器的構(gòu)成是由一臺可變頻的高速電機(jī)帶動磁力聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子與軸連接，通過外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子磁耦合，使軸帶動脈動發(fā)生體，讓軸上的葉片在密閉的管道中進(jìn)行擺動運動，從而產(chǎn)生脈動流。此方法可不通過直接接觸便能進(jìn)行力與力矩的傳遞，并可將動密封化為靜密封，實現(xiàn)零泄漏。另外在脈動流發(fā)生器上配置了脈沖發(fā)訊器，其作用是將葉片軸輸出的擺動信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，從而驗證電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.4 主要部件的結(jié)構(gòu)和作用

1）傳感器主要由殼體、前蓋、后蓋、葉輪組成（葉片有單葉片、四葉片兩種型式）。

2）電機(jī)是脈動產(chǎn)生的動力來源，與變頻器配合，可控制轉(zhuǎn)動輸出頻率，電機(jī)固定在傳感器上，與葉輪形成固定的中心距。

3）磁密封軸由內(nèi)外磁鋼組成，通過磁耦合輸出轉(zhuǎn)速，保證密封，安全可靠。

4）光電脈沖發(fā)訊器，由光電開關(guān)、光柵、集成電路構(gòu)成，將機(jī)械信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺敵鲲@示實際頻率。

5）傳動機(jī)構(gòu)由兩種型式：皮帶機(jī)構(gòu)（兩皮帶輪和皮帶）、四連桿機(jī)構(gòu)。

2 工作原理

由一臺可變頻的高速電機(jī)帶動磁力聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子與軸連接，通過外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子磁耦合使軸上的葉片在密閉的管道中做擺動或旋轉(zhuǎn)運動，從而產(chǎn)生脈動流。在高速電機(jī)與磁力聯(lián)軸器間加裝機(jī)械機(jī)構(gòu)（皮帶機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)）來實現(xiàn)葉片在管道中進(jìn)行擺動，從而產(chǎn)生脈動流，通過調(diào)整機(jī)械機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)振幅的改變。在脈動流發(fā)生器上配置了脈沖發(fā)訊器，其作用是將葉片軸輸出的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，從而驗證電機(jī)的轉(zhuǎn)速。然后分別通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整葉片大小，并在高速電機(jī)與磁力聯(lián)軸器間加裝機(jī)械機(jī)構(gòu)（皮帶機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)）來實現(xiàn)葉片在管道中進(jìn)行擺動，通過調(diào)整機(jī)械機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)振幅的改變等方法，使頻率和幅值發(fā)生變化，并通過檢測脈動流發(fā)生器工作前后流量計的信號波形和頻譜，分析出脈動流對流量測量的影響。

技術(shù)關(guān)鍵：高頻電機(jī)與磁力聯(lián)軸器及葉片的結(jié)合，電機(jī)與機(jī)械機(jī)構(gòu)的連接，通過機(jī)械機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為擺動從而達(dá)到調(diào)節(jié)幅度的目的。

2.1 皮帶機(jī)構(gòu)型式

如圖2所示，皮帶機(jī)構(gòu)型式是通過固定在電機(jī)上的皮帶輪1、皮帶、皮帶輪2通過磁連接座把轉(zhuǎn)速1:1傳動給葉輪轉(zhuǎn)動，以獲得高頻轉(zhuǎn)速。帶液狀態(tài)下，能夠保證電機(jī)啟動頻率為3Hz，最高頻率為50Hz。隨著實驗管路中液體流速升高，啟動頻率增大。因速度較高，此種型式需用均勻分布的多葉片葉輪。

圖2 皮帶機(jī)構(gòu)Fig.2 Belt mechanism

此種型式配有可更換不同大小葉片的葉輪，可做不同葉輪、不同頻率下轉(zhuǎn)動的脈動實驗。

2.2 連桿機(jī)構(gòu)型式

如圖3所示，連桿機(jī)構(gòu)型式是通過固定在電機(jī)上的連桿1、連桿2、連桿3、磁連接座把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成葉輪的葉片擺動。圖3（a）和圖3（c）位置為連桿3擺動的兩個極限位置，連桿3兩個極限位置的夾角為93°。帶液狀態(tài)下，能夠保證電機(jī)啟動頻率為7Hz，最高頻率為50Hz。此種型式需用單葉片葉輪，以獲得理想的脈動。

圖3 連桿機(jī)構(gòu)Fig.3 Linkage mechanism

3 實驗?zāi)Ｐ偷拇罱安糠謱嶒炐Ч恼故?/h2>

實驗利用第十三計量測試中心站裝置的水源、設(shè)備及管路。選用DN100臺位電磁流量計標(biāo)準(zhǔn)表為實驗流量計，電磁流量計準(zhǔn)確度等級為0.2級。將脈動流發(fā)生器安裝在DN100管線下游，裝置需提供實驗所需的穩(wěn)定流量，通過調(diào)節(jié)脈動流發(fā)生器的變頻器從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使脈動頻率發(fā)生改變，分析脈動流發(fā)生器工作前后對流量計重復(fù)性、穩(wěn)定性的影響。

相同結(jié)構(gòu)（四葉片、皮帶輪機(jī)構(gòu)）、相同流量、不同安裝位置下試驗數(shù)據(jù)展示見表1。

表1 四葉片、皮帶輪機(jī)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)(1) Table 1 Test data of four blades and belt mechanism(1)

4 影響量分析及初步實驗結(jié)論

實驗中所用試驗流量計為0.2級電磁流量計，所用實驗裝置為靜態(tài)容積法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置準(zhǔn)確度等級為0.1級。根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)果，根據(jù)電磁流量計檢定規(guī)程，對流量計重復(fù)性按式（1）進(jìn)行計算：

以上兩組數(shù)據(jù)：

圖4 變頻器頻率值與流量重復(fù)性對應(yīng)關(guān)系圖①Fig.4 Corresponding diagram between frequency value of frequency converter and repeatability of flow①

圖5 變頻器頻率值與流量重復(fù)性對應(yīng)關(guān)系圖②Fig.5 Corresponding diagram between frequency value of frequency converter and repeatability of flow②

數(shù)據(jù)（1）是當(dāng)脈動流發(fā)生器與流量計間，間隔30D直管段安裝時，發(fā)現(xiàn)在脈動流發(fā)生器啟動前，流量計重復(fù)性可以達(dá)到0.01%。而啟動脈動流發(fā)生器后，流量計重復(fù)性數(shù)值相對有所升高，但隨著頻率值不斷增高，流量計重復(fù)性數(shù)值有逐漸減小的趨勢。

表2 四葉片、皮帶輪機(jī)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)(2)Table 2 Test data of four blades and belt mechanism(2)

數(shù)據(jù)（2）是當(dāng)脈動流發(fā)生器緊挨著流量計安裝時，在脈動流發(fā)生器啟動前，流量計重復(fù)性可以達(dá)到0.02%。而當(dāng)脈動流發(fā)生器啟動后，對流量計重復(fù)性有非常顯著的影響。根據(jù)電磁流量計檢定規(guī)程中規(guī)定：“流量計的重復(fù)性不得超過相應(yīng)準(zhǔn)確度等級規(guī)定的最大允許誤差絕對值的1/3”要求。其數(shù)據(jù)表明其影響量已經(jīng)造成流量計重復(fù)性不滿足要求的情況。

從試驗數(shù)據(jù)中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)流量穩(wěn)定的情況下，啟動脈動流發(fā)生器前后對流量穩(wěn)定性的影響還是非常顯著的。脈動流發(fā)生器的研制，可以通過調(diào)整脈動流發(fā)生器的脈動頻率，模擬各種阻力件對流場的影響，確定出合適的流量計安裝條件，提高現(xiàn)場使用時流量計量的可靠性。相信今后對脈動流還會有更深入的研究，一定可以在今后的實驗中得出更多有力的結(jié)論和避免脈動流對標(biāo)準(zhǔn)裝置及流量計的影響的方法。