對脈動流發生器的初步研究及意義

林 峰，馬春歌，鄭東志

（開封儀表有限公司，河南 開封 475000）

0 引言

在工業流體中，容積泵、管線共振和流量調節閥等，以及一些多相流域中障礙物后流體分開都容易產生流體脈動和其他液體流參數的動態變化。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，并通過相應地調節，測量出不同的脈動對流量計量的影響。

為了進行脈動流體對不同流量計量的實驗研究，需要設計一個合適的、具有確定動態特征的流體脈動即“脈動流發生器”。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生器，以及該脈動發生器在不同機構、不同流量、不同頻率下形成的脈動流對流量計量準確度的影響。

通過實驗，以實現以下兩個目的：

1）為流量計的設計改進提供寶貴的數據資料和依據，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性能，預測在不同安裝條件下的動態誤差，合理設計裝置中的流量計的安裝位置，優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確度的影響及其性能非常重要。

1 設計構思

1.1 初步設計的脈動流發生器主要參數

介質：水。

公稱通徑：DN100。

公稱壓力：1.6MPa。

傳動形式及頻率：皮帶機構3 Hz～50 Hz，連桿機構7 Hz～50 Hz。

脈動發生體：設計為葉輪形式，并分為單葉片與四葉片兩種形式。

幅度：10°～30°。

1.2 脈動流發生器設計的主要特點及設計難點

1.2.1 主要特點

1）傳動結構型式多樣。運用皮帶機構、連桿機構多種機械機構型式，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）電機配備變頻器，頻率可調，配備光電脈沖發訊器，可實現頻率的監控驗證。

5）運用機械卡頭連接方式，可方便更換機構型式。

1.2.2 設計難點

1）設計過程中要達到幾種傳動結構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，并用螺釘壓緊實現傳動。兩種結構連接接口統一，連接靠一螺釘壓緊，方便快捷。電機端頭安裝彈簧夾頭，實現快速拆裝與連接。

2）葉片軸轉動與殼體間采用密封形式，在高速運轉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 液體脈動流發生器結構及特征

液體脈動流發生器由傳感器、電機、傳動機構、變頻器、光電脈沖發訊器等組成。總體結構如圖1。

圖1 液體脈動流發生器總體結構 Fig.1 Overall structure of fluid pulsating flow generator

脈動流發生器的構成是由一臺可變頻的高速電機帶動磁力聯軸器外轉子，內轉子與軸連接，通過外轉子與內轉子磁耦合，使軸帶動脈動發生體，讓軸上的葉片在密閉的管道中進行擺動運動，從而產生脈動流。此方法可不通過直接接觸便能進行力與力矩的傳遞，并可將動密封化為靜密封，實現零泄漏。另外在脈動流發生器上配置了脈沖發訊器，其作用是將葉片軸輸出的擺動信號轉換成電脈沖信號，從而驗證電機的轉速。

1.4 主要部件的結構和作用

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

3）磁密封軸由內外磁鋼組成，通過磁耦合輸出轉速，保證密封，安全可靠。

4）光電脈沖發訊器，由光電開關、光柵、集成電路構成，將機械信號轉變為電信號，輸出顯示實際頻率。

5）傳動機構由兩種型式：皮帶機構（兩皮帶輪和皮帶）、四連桿機構。

2 工作原理

由一臺可變頻的高速電機帶動磁力聯軸器外轉子，內轉子與軸連接，通過外轉子與內轉子磁耦合使軸上的葉片在密閉的管道中做擺動或旋轉運動，從而產生脈動流。在高速電機與磁力聯軸器間加裝機械機構（皮帶機構、連桿機構）來實現葉片在管道中進行擺動，從而產生脈動流，通過調整機械機構來實現振幅的改變。在脈動流發生器上配置了脈沖發訊器，其作用是將葉片軸輸出的轉速信號轉換成電脈沖信號，從而驗證電機的轉速。然后分別通過變頻器調節電機轉速，調整葉片大小，并在高速電機與磁力聯軸器間加裝機械機構（皮帶機構、連桿機構）來實現葉片在管道中進行擺動，通過調整機械機構來實現振幅的改變等方法，使頻率和幅值發生變化，并通過檢測脈動流發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。

技術關鍵：高頻電機與磁力聯軸器及葉片的結合，電機與機械機構的連接，通過機械機構將轉動轉化為擺動從而達到調節幅度的目的。

2.1 皮帶機構型式

如圖2所示，皮帶機構型式是通過固定在電機上的皮帶輪1、皮帶、皮帶輪2通過磁連接座把轉速1:1傳動給葉輪轉動，以獲得高頻轉速。帶液狀態下，能夠保證電機啟動頻率為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 皮帶機構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、不同頻率下轉動的脈動實驗。

2.2 連桿機構型式

如圖3所示，連桿機構型式是通過固定在電機上的連桿1、連桿2、連桿3、磁連接座把轉動轉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°。帶液狀態下，能夠保證電機啟動頻率為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 連桿機構Fig.3 Linkage mechanism

3 實驗模型的搭建及部分實驗效果的展示

實驗利用第十三計量測試中心站裝置的水源、設備及管路。選用DN100臺位電磁流量計標準表為實驗流量計，電磁流量計準確度等級為0.2級。將脈動流發生器安裝在DN100管線下游，裝置需提供實驗所需的穩定流量，通過調節脈動流發生器的變頻器從而調節電機轉速，使脈動頻率發生改變，分析脈動流發生器工作前后對流量計重復性、穩定性的影響。

相同結構（四葉片、皮帶輪機構）、相同流量、不同安裝位置下試驗數據展示見表1。

表1 四葉片、皮帶輪機構試驗數據(1) Table 1 Test data of four blades and belt mechanism(1)

4 影響量分析及初步實驗結論

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容積法液體流量標準裝置，裝置準確度等級為0.1級。根據以上數據結果，根據電磁流量計檢定規程，對流量計重復性按式（1）進行計算：

以上兩組數據：

圖4 變頻器頻率值與流量重復性對應關系圖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性對應關系圖②Fig.5 Corresponding diagram between frequency value of frequency converter and repeatability of flow②

數據（1）是當脈動流發生器與流量計間，間隔30D直管段安裝時，發現在脈動流發生器啟動前，流量計重復性可以達到0.01%。而啟動脈動流發生器后，流量計重復性數值相對有所升高，但隨著頻率值不斷增高，流量計重復性數值有逐漸減小的趨勢。

表2 四葉片、皮帶輪機構試驗數據(2)Table 2 Test data of four blades and belt mechanism(2)

數據（2）是當脈動流發生器緊挨著流量計安裝時，在脈動流發生器啟動前，流量計重復性可以達到0.02%。而當脈動流發生器啟動后，對流量計重復性有非常顯著的影響。根據電磁流量計檢定規程中規定：“流量計的重復性不得超過相應準確度等級規定的最大允許誤差絕對值的1/3”要求。其數據表明其影響量已經造成流量計重復性不滿足要求的情況。

從試驗數據中可以看出，在標準流量穩定的情況下，啟動脈動流發生器前后對流量穩定性的影響還是非常顯著的。脈動流發生器的研制，可以通過調整脈動流發生器的脈動頻率，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論和避免脈動流對標準裝置及流量計的影響的方法。