一、引言
流量計實流校準時的參比條件是流動狀態(tài)必須為定常流(穩(wěn)定流)。所謂定常流就是流場中各點處的流速、壓力、密度和溫度等諸參數(shù)不隨時間變化的一種流動狀態(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)，其流動參數(shù)在與時間無關(guān)的平均值附近隨時間有微小的變化，只能稱“統(tǒng)計定常流”或“平均定常流”。如果這種波動類似于充分發(fā)展的管流，而且無周期脈動，就像ISO 5167-1中規(guī)定的那樣，則儀表顯示的瞬時流量與正常測量不確定度應(yīng)該無任何差異。
定常流。如果測量管段中的流量雖為時間的如果流動流體的某個參數(shù)如流速、壓力 、密度、溫度等不斷地隨時間變化，就稱非函數(shù)，但在足夠長的時間間隔內(nèi)的平均值是一個常數(shù)，則稱這種流動為(具有恒定平均值的)脈動流，它是非定常流中的一種流動狀態(tài)，脈動流可分為周期性脈動流和隨機波動脈動流。
二、脈動流的發(fā)生
流動脈動常見于工業(yè)管流，它可能由旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式原動機、壓氣機、鼓風(fēng)機、泵產(chǎn)生，帶翼的旋轉(zhuǎn)機械也能以葉片通過頻率產(chǎn)生小的脈動。有的容積式流量計也能產(chǎn)生脈動。振動引起的共振，管道運行和控制系統(tǒng)的振蕩，閥門“獵振”、管道配件、閥門或旋轉(zhuǎn)機械引起的流動分離，也是流動脈動可能的來源。流動脈動還可能由流量系統(tǒng)和多相流引起的流體動力學(xué)振蕩所引發(fā)。例如流體流過測溫保護管，如同流過渦街流量計的旋渦發(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)場儀表指示往往看不出工業(yè)管流中脈動的存在，這是因為平常使用的流量計、壓力計響應(yīng)較慢，而且設(shè)有阻尼，但事實上，流動脈動可能是存在的。脈動還可以從上游傳遞到下游，也可以從下游回溯到上游，所以脈動源可能在流量計的上游影響其示值，也可能在流量計的下游影響其示值。然而從脈動源到流量計的距離增大能使脈動衰減，幅值變小。可以通過可壓縮性效應(yīng)(包括氣體和液體)，使之衰減到在流量計安裝地點探測不到脈動幅值。
流動脈動頻率范圍從千分之一赫到數(shù)百赫，脈動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。在脈動幅值小的時候，往往難以區(qū)別脈動流和紊流。
脈動流的主要參數(shù)有脈動幅值、脈動頻率和脈動波形。其中，脈動幅值多用流速波動均方根值與時均流速之比來表示。
三、穩(wěn)定流閾值
目前工業(yè)上常用流量計標準規(guī)范都指明流量計只能用于穩(wěn)定流，它是流量計基本誤差參比條件之一。實際上，各類流量計應(yīng)用穩(wěn)定流都有一個閾值，即允許的非定常流的界限值。
(1)差壓式流量計。差壓式流量計在下式的流速脈動幅值可界定為穩(wěn)定流。
通常激光多普勒和熱量風(fēng)速表能測定流速脈動幅值。如果流量計輸出脈沖頻率是已知的，而且渦輪慣性也是已知的，則可由流量計顯示的脈動幅值推算實際流量脈動幅值，并估算校正系數(shù)。
(3)渦街流量計。渦街流量計的旋渦剝離過程隨流動脈動產(chǎn)生很大誤差。當(dāng)脈動頻率接近旋渦剝離頻率時，會出現(xiàn)嚴重問題。但在脈動幅值足夠小的條件下，因為脈動被忽略，因此不發(fā)生測量誤差。此界限幅值只有平均流速的3%，類似于流速擾動幅值。
四、脈動流的流量測量
脈動流流量測量方法有三種:a.用響應(yīng)快的流量計；b.用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒚}動衰減到足夠小的幅值，然后用普通流量計進行測量；c.對在脈動流狀態(tài)下測得的流量值進行誤差校正。有的系統(tǒng)中，b、c兩種方法需結(jié)合起來才能實現(xiàn)測量，這是因為脈動幅值大，超出估算公式的適用范圍，若僅用阻尼方法，衰減后的脈動幅值又未進入穩(wěn)定流范圍。
(1)用電磁流量計測量脈動流流量當(dāng)電磁流量計選用較高的激勵頻率時，能對脈動流作出快速響應(yīng)，因此能對脈動流流量進行測量，常用來測量往復(fù)泵、隔膜泵等的出口流量。
能用于脈動流測量的電磁流量計，通常在下列三個方面須作特殊設(shè)計，并在投運時作恰當(dāng)?shù)恼{(diào)試，即激勵頻率可調(diào)，以便得到與脈動頻率相適應(yīng)的激勵頻率；流量計的模擬信號處理部分應(yīng)防止脈動峰值到來時進入飽和狀態(tài)；為了讀出流量平均值，應(yīng)對顯示部分作平滑處理。
①激勵頻率的決定。以IFM型電磁流量計為例，該儀表的技術(shù)資料提出，當(dāng)脈動頻率低于1.33Hz時，可以采用穩(wěn)定流時的激勵頻率；當(dāng)脈動頻率為1.33~3.33Hz時，激勵頻率應(yīng)取25Hz(電源頻率為50Hz時)。顯然，激勵頻率要求雖不很嚴格，但必須與脈動頻率相適應(yīng)，太高和太低都是不利的。
②流量信號輸入通道飽和問題。脈動流的脈動幅值有時高得出奇，如果峰值出現(xiàn)時儀表的流量信號輸入通道進入飽和狀態(tài)，就如同峰值被削除，必將導(dǎo)致儀表示值偏低。
電磁流量計流量信號輸入通道的設(shè)計分兩擋。其中，測量穩(wěn)定流時，A/D轉(zhuǎn)換器只允許輸入滿量程信號的150%，而測量脈動流時，允許輸入滿量程信號的1000%。因此，在測量脈動流流量時，編寫菜單應(yīng)指定流動類型為“PULSATING”(脈動流)，而不是“STEADY”(定常流)。
③時間常數(shù)的選定。由于電磁流量計的測量部分能快速響應(yīng)脈動流流量的變化，忠實地反映實際流量，但是顯示部分如果也如實地顯示實際流量值，勢必導(dǎo)致顯示值上下大幅度跳動，難以讀數(shù)，所以，顯示應(yīng)取一段時間內(nèi)的平均值。其實現(xiàn)方法通常是串入一階慣性環(huán)節(jié)，選定合適的時間常數(shù)后，儀表就能穩(wěn)定顯示。但若時間常數(shù)選得太大，則在平均流量變化時，顯示部分響應(yīng)遲鈍，為觀察者帶來錯覺。
IFM儀表資料提出了計算時間常數(shù)的經(jīng)驗公式。
t(s)=1000/N
式中 N－每分鐘脈動次數(shù)。
(2)脈動流流量測量的充分條件電磁流量計雖能測量脈動流流量，但它僅適用于電導(dǎo)率在合適范圍內(nèi)的液體，而更多的脈動流流量測量對象仍然需在測量前將脈動濾除。
1998年國際標準化組織對ISO/TR 3313進行了增補參改和重新定名，頒布了ISO/ TR 3313 : 1998《封閉管道中流體流量測量流量測量儀表流動脈動影響導(dǎo)則》，它雖不是國際標準，只是一份技術(shù)報告，卻總結(jié)了幾十年來國際上對脈動流流量測量主要研究成果。對脈動流流量測量有重要的參考價值。
ISO/TR 3313對流動脈動的阻尼提供了幾個有實用價值的方法，并對其設(shè)計計算給出了具體的公式。其中，充分阻尼的條件針對標準節(jié)流裝置而言。
①氣體的脈動流流量測量的充分阻尼條件。氣體或蒸氣的脈動能被脈動源與儀表之間的節(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)計時能夠變更的設(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，為具體實施帶來困難。如圖 6.2所示的帶限流管的分隔容器(divided-receiver)阻尼器，在設(shè)計計算時，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，因此更具實用性。
③液體的充分阻尼條件。液體脈動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，脈動源在流量計的上游，如果脈動源在儀表的下游，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。
