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管道涡轮流量计|流动噪声的测量以提高精度方法


文章日期:2017-09-20|阅读数:


摘要:涡轮流量计是测量管道中流体流量的常用仪器, 但其测量过程中会产生附加噪声 ,影响管道系统中流体机械流动噪声的测量研究。在离心泵流动噪声试验系统上对涡轮流量计测量过程中产生的附加噪声进行了测量分析 ,搞清了其声学特性及其对流体机械流动噪声测量的影响, 提出了在流体机械流动噪声测量过程中消除涡轮流量计流动噪声的方法。

  涡轮流量计是管道系统中的常用测量工具, 在流量测量中得到了广泛应用, 但由于其测量原理是靠涡轮转速来对应管道中介质流量的大小 , 因此又不可避免地由于涡轮转动而产生附加噪声。本研究将借助离心泵流动噪声试验系统[ 1] ,对涡轮流量计产生的流动噪声进行试验测量和分析, 研究其对泵阀流噪声测量的影响。
 
1、涡轮流量计产生流动噪声的机理:
 涡轮流量计是一种速度式流量测量仪表, 由涡轮流量传感器和显示仪表组成[ 2] 。涡轮流量传感器由叶轮动叶、支架、外壳及磁阻传感器组成 ,其原理是当流体流经传感器时, 带动涡轮旋转使导磁的叶片周期性地改变检测器中磁路的磁阻值, 使通过感应线圈的电设备噪声测量与控制。
磁通量随之变化 ,在感应线圈的两端即产生出电脉冲信号,在一定的流量范围内 ,该电脉冲与流经涡轮传感器的流体流量成正比。可由式 (1)表示
 

  , q qv =f/C (1)
  ;f  
式中 v为体积流量 为涡轮旋转产生的电脉冲的频
率 ;C为仪表常数 ,由制造厂给出。
 
涡轮流量计具有测量范围大、精度高、压力损失小等优点。
 
涡轮流量计是一种间接测量仪表 , 靠涡轮的旋转快慢对应管道中介质流量的大小, 涡轮叶片本身的旋转将会产生新的流动噪声, 类似于一个被动旋转的轴流泵,在叶尖速度远小于介质声速的情况下 , 由文献 [ 3]可知其产生附加噪声的声功率可用式 (2)来描述
WD =Kρ0U2 D (2)
6 2  
     
  c0  
式中, WD为涡轮旋转辐射的声功率;K为比例系数 ;ρ0 为介质的密度;U为叶尖速度 ;D为叶尖直径 ;c0为介质声速。
 由式(1)可知 ,流量越大 ,涡轮的转速越高, 所产生的电脉冲频率也就越高 ;
(2)可知, 由于涡轮叶片的转速提高, 其产生的流动噪声的声功率也会增大。涡轮流量计流动噪声的频谱主要由离散线谱组成 , 随着流量的增大 ,频率将提高, 谱值将增大。

2、试验测量系统:
 在如图 1所示的离心泵流动噪声试验系统上完成涡轮流量计流动噪声的测量分析 ,该系统由离心泵、进水管、出水管、阀门、隔声水罐及水箱等部分组成。在图 1所示的测量位置应用水听器测量管道内的流动噪声, 该流动噪声一部分来源于声源, 而另一部分则来源于涡轮流量计。
 
3、测量方法及试验结果分析:
 本研究采用两种方法对涡轮流量计流动噪声的特性及其对管道流动噪声的影响进行测量分析。
 
3.1 、涡轮流量计对管道中流动噪声的影响:
 为确认涡轮流量计流动噪声的频谱曲线, 设法移去图 1中的涡轮流量计 ,此时测量得到的频谱只是离心泵流动噪声的频谱。
 图 2是在保持管道中流量不变的情况下,有、无涡轮流量计对管道中水声信号频谱的影响 ,实线和虚线分别对应有、无涡轮流量计两种情况。可以看出涡轮流量计的存在使管道中流动噪声的频谱图中增加了 100 Hz、600 Hz和 900 Hz处的线谱 , 因此涡轮流量计流动噪声主要是由 300 Hz及其倍频线谱组成。涡轮流量计的使用使得管道内总声压级由 169 dB上升至 173 dB。由此可见, 涡轮流量计显著改变了管内流动噪声的频谱特性和声压级的高低。
图 1  离心泵流动噪声测试系统简图

图 1  离心泵流动噪声测试系统简图

3.2、涡轮流量计流动噪声的特性:
 调节管道流体的流量, 测量涡轮流量计流动噪声如何随流量变化。流量调节的方法有两种 :一是改变闸阀 1的开度;二是改变泵轴的转速。前者只是流量发生改变,离心泵线谱噪声的频率不会发生变化,由文献 [ 4]可知, 谱值的改变也不显著 ,而涡轮流量计流动噪声离散线谱的频率和谱值却可能发生很大变化, 这样就能在所测水声信号频谱中确定由于涡轮流量计所导致的流动噪声。而后者在改变流量的同时, 会使得离心泵流动噪声和涡轮流量计的线谱噪声都发生变化 ,导致无法在流动噪声频谱中区分两者的线谱。因此 ,本研究采用第 1 种方法 ,保持离心泵叶轮转速不变 ,调节图 1中闸阀 1的开度,使管道中的流量发生变化 ,在图 1中测量位置记录水声信号 ,对不同流量下水声信号的频谱进行分析比较。
 图 3是不同流量情况下, 测量位置测得水声信号的频谱 ,图 3中向下箭头所对应的线谱频率在管道流量改变过程中没有发生改变, 只是线谱峰值发生了微
小改变 ,由于离心泵的叶轮转速在流量改变过程中保持不变 ,这些线谱应该对应着离心泵的流动噪声。图3中方框内线谱则随流量改变发生了明显变化, 这是因为流量改变导致涡轮流量计的涡轮转速发生了变化。图 3中 3个方框内的线谱分别对应涡轮流量计所产生流动噪声的基频及其倍频 ,以 300 Hz、600 Hz及 900 Hz左右为频率中心 。
图 3 流量变化对管道中流动噪声线谱的影响图 2 涡轮流量计对管道流功噪声的影响

图 3 流量变化对管道中流动噪声线谱的影响图 2 涡轮流量计对管道流功噪声的影响
  选择 300 Hz频率对应的方框, 研究方框内各线谱频率与流量的对应关系, 从图 3可看出, 流量改变与300 Hz附近线谱频率变化基本成正比关系 , 由于涡轮流量计流动噪声的线谱频率与式 (1)中的电脉冲频率成正比 ,流量与频率之间的关系对应式(1)的描述。
  声线谱的频率及声压级与流量的对应关系基本一致,流量增大,涡轮转速提高, 流动噪声频率升高, 声压级增高。

4、结束语:
  本研究在离心泵流动噪声试验系统上对涡轮流量计产生的流动噪声进行了测量分析 , 搞清了其声学特性。涡轮流量计会对管内流动噪声的频谱特性产生显著影响。随流量增大 ,涡轮流量计产生的流动噪声频率增高 ,声压级增大。在管道流噪声的测量试验中 ,为消除涡轮流量计的流动噪声,可依据其频谱特性,应用信号处理的方法滤除其噪声。若要完全消除涡轮流量计流动噪声的影响,可改变涡轮流量计测量位置,将其安装在图 1所示的“新位置 ”处, 试验系统中的隔声水罐可以有效隔离涡轮流量计产生的流动噪声。


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