管道渦輪流量計|流動噪聲的測量以提高精度方法
摘要:渦輪流量計是測量管道中流體流量的常用儀器, 但其測量過程中會產生附加噪聲 ,影響管道系統中流體機械流動噪聲的測量研究。在離心泵流動噪聲試驗系統上對渦輪流量計測量過程中產生的附加噪聲進行了測量分析 ,搞清了其聲學特性及其對流體機械流動噪聲測量的影響, 提出了在流體機械流動噪聲測量過程中消除渦輪流量計流動噪聲的方法。
渦輪流量計是管道系統中的常用測量工具, 在流量測量中得到了廣泛應用, 但由于其測量原理是靠渦輪轉速來對應管道中介質流量的大小 , 因此又不可避免地由于渦輪轉動而產生附加噪聲。本研究將借助離心泵流動噪聲試驗系統[ 1] ,對渦輪流量計產生的流動噪聲進行試驗測量和分析, 研究其對泵閥流噪聲測量的影響。
1、渦輪流量計產生流動噪聲的機理：
渦輪流量計是一種速度式流量測量儀表, 由渦輪流量傳感器和顯示儀表組成[ 2] 。渦輪流量傳感器由葉輪動葉、支架、外殼及磁阻傳感器組成 ,其原理是當流體流經傳感器時, 帶動渦輪旋轉使導磁的葉片周期性地改變檢測器中磁路的磁阻值, 使通過感應線圈的電設備噪聲測量與控制。
磁通量隨之變化 ,在感應線圈的兩端即產生出電脈沖信號,在一定的流量范圍內 ,該電脈沖與流經渦輪傳感器的流體流量成正比。可由式 (1)表示
| , q | qv =f/C | (1) | |
| ;f | |||
| 式中 | v為體積流量 | 為渦輪旋轉產生的電脈沖的頻 | |
率 ;C為儀表常數 ,由制造廠給出。
渦輪流量計具有測量范圍大、精度高、壓力損失小等優點。
渦輪流量計是一種間接測量儀表 , 靠渦輪的旋轉快慢對應管道中介質流量的大小, 渦輪葉片本身的旋轉將會產生新的流動噪聲, 類似于一個被動旋轉的軸流泵,在葉尖速度遠小于介質聲速的情況下 , 由文獻 [ 3]可知其產生附加噪聲的聲功率可用式 (2)來描述
| WD =Kρ0U2 | D | (2) | |
| 6 | 2 | ||
| c0 | |||
式中, WD為渦輪旋轉輻射的聲功率;K為比例系數 ;ρ0 為介質的密度;U為葉尖速度 ;D為葉尖直徑 ;c0為介質聲速。
由式(1)可知 ,流量越大 ,渦輪的轉速越高, 所產生的電脈沖頻率也就越高 ;
(2)可知, 由于渦輪葉片的轉速提高, 其產生的流動噪聲的聲功率也會增大。渦輪流量計流動噪聲的頻譜主要由離散線譜組成 , 隨著流量的增大 ,頻率將提高, 譜值將增大。
2、試驗測量系統：
在如圖 1所示的離心泵流動噪聲試驗系統上完成渦輪流量計流動噪聲的測量分析 ,該系統由離心泵、進水管、出水管、閥門、隔聲水罐及水箱等部分組成。在圖 1所示的測量位置應用水聽器測量管道內的流動噪聲, 該流動噪聲一部分來源于聲源, 而另一部分則來源于渦輪流量計。
3、測量方法及試驗結果分析：
本研究采用兩種方法對渦輪流量計流動噪聲的特性及其對管道流動噪聲的影響進行測量分析。
3.1 、渦輪流量計對管道中流動噪聲的影響：
為確認渦輪流量計流動噪聲的頻譜曲線, 設法移去圖 1中的渦輪流量計 ,此時測量得到的頻譜只是離心泵流動噪聲的頻譜。
圖 2是在保持管道中流量不變的情況下,有、無渦輪流量計對管道中水聲信號頻譜的影響 ,實線和虛線分別對應有、無渦輪流量計兩種情況。可以看出渦輪流量計的存在使管道中流動噪聲的頻譜圖中增加了 100 Hz、600 Hz和 900 Hz處的線譜 , 因此渦輪流量計流動噪聲主要是由 300 Hz及其倍頻線譜組成。渦輪流量計的使用使得管道內總聲壓級由 169 dB上升至 173 dB。由此可見, 渦輪流量計顯著改變了管內流動噪聲的頻譜特性和聲壓級的高低。
圖 1 離心泵流動噪聲測試系統簡圖
3.2、渦輪流量計流動噪聲的特性：
調節管道流體的流量, 測量渦輪流量計流動噪聲如何隨流量變化。流量調節的方法有兩種 :一是改變閘閥 1的開度;二是改變泵軸的轉速。前者只是流量發生改變,離心泵線譜噪聲的頻率不會發生變化,由文獻 [ 4]可知, 譜值的改變也不顯著 ,而渦輪流量計流動噪聲離散線譜的頻率和譜值卻可能發生很大變化, 這樣就能在所測水聲信號頻譜中確定由于渦輪流量計所導致的流動噪聲。而后者在改變流量的同時, 會使得離心泵流動噪聲和渦輪流量計的線譜噪聲都發生變化 ,導致無法在流動噪聲頻譜中區分兩者的線譜。因此 ,本研究采用第 1 種方法 ,保持離心泵葉輪轉速不變 ,調節圖 1中閘閥 1的開度,使管道中的流量發生變化 ,在圖 1中測量位置記錄水聲信號 ,對不同流量下水聲信號的頻譜進行分析比較。
圖 3是不同流量情況下, 測量位置測得水聲信號的頻譜 ,圖 3中向下箭頭所對應的線譜頻率在管道流量改變過程中沒有發生改變, 只是線譜峰值發生了微
小改變 ,由于離心泵的葉輪轉速在流量改變過程中保持不變 ,這些線譜應該對應著離心泵的流動噪聲。圖3中方框內線譜則隨流量改變發生了明顯變化, 這是因為流量改變導致渦輪流量計的渦輪轉速發生了變化。圖 3中 3個方框內的線譜分別對應渦輪流量計所產生流動噪聲的基頻及其倍頻 ,以 300 Hz、600 Hz及 900 Hz左右為頻率中心 。
圖 3 流量變化對管道中流動噪聲線譜的影響圖 2 渦輪流量計對管道流功噪聲的影響